EP2815421B1 - Method for producing iii-n templates and the reprocessing thereof and iii-n template - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to processes for the preparation of composite substrates (hereinafter referred to as "template (s)”) and to the production of III-N single crystals.
- template (s) composite substrates
- the processes according to the invention make it possible to produce crack-free III-N single crystals, which are particularly suitable for use as wafers.
- III means at least one element of the third main group of the periodic table selected from the group of Al, Ga and In.
- III-N single crystals are of great technical importance. These materials are based on a large number of semiconductor components and optical-electrical components such as power components, high-frequency components, light-emitting diodes and lasers.
- epitaxial crystal growth is often carried out on a starting substrate, or a template is initially formed on a starting substrate, whereupon III-N layers or single crystal bodies can subsequently be deposited by further epitaxial growth.
- starting substrates III-N substrates or in particular foreign substrates can be used. When using foreign substrates, strain and cracking within a III-N layer may occur during growth due to differences in the thermal expansion coefficients of the starting substrate and the grown layer.
- Thicker layers can also be grown with the aid of partially structured, deposited in an external process intermediate layers of WSiN, TiN or SiO 2 and are subsequently detached as free-standing layers, which typically have plastic, concave bent c-lattice planes and surfaces.
- vertical and horizontal microcracks may develop that may expand with time and lead to breakage of the GaN layer during or after the cooling process.
- GaN and AlGaN possibly with an InGaN compliance layer
- GaN sapphire template The growth of GaN and AlGaN, possibly with an InGaN compliance layer, on GaN sapphire template is investigated. It has been found that for GaN and AlGaN with 2.8% and 7.6% Al mole fraction, the concave curvature increases during growth. Furthermore, the concave curvature increases with increasing aluminum content.
- the influence of an Si-doped indium-gallium nitride layer on the growth of an AlGaN layer of 7.6% Al mole fraction on a GaN buffer layer is shown.
- an AlGaN layer with 7.6% Al mole fraction is grown directly on a GaN buffer layer and on the other hand, a Si-doped indium-gallium nitride layer as an intermediate layer on a GaN buffer layer, wherein subsequently an AlGaN layer with 7.6% Al-mole fraction is grown on the intermediate layer.
- the initial concave curvature of the GaN buffer layer is converted into a slightly convex curvature as the temperature is lowered, and by growing an In 0.06 Ga 0.94 N layer within the same process, this convex curvature increases as it continues to grow.
- the subsequent application of an Al 0.076 Ga 0.924 N layer on this In 0.06 Ga 0.94 N layer finally achieves a concave curvature that is comparatively less than the resulting curvature without In 0.06 Ga 0.94 N interlayer.
- DE 102006008929 A1 describes a nitride semiconductor device based on a silicon substrate and its manufacture, with the deposition of an aluminum-containing Nitridankeim harsh on the silicon substrate.
- a process is described which is based specifically on the use of a silicon substrate, wherein it is found that the growth of semiconductor layers on sapphire substrates is subject to completely different boundary conditions than the growth on silicon substrate.
- the according to the system of DE 102006008929 A1 grown III-N layer after cooling to room temperature is not compressive, not even compressed almost compressively, but merely less tensilely braced than a conventional grown on silicon substrate III-N layer.
- US 2009/0092815 A1 describes the production of aluminum nitride crystals between 1 and 2 mm thick and aluminum nitride layers of 5 mm thickness. These layers are described as crack-free and can be used to cut colorless and optically transparent wafers with more than 90% usable area for use in device fabrication or device fabrication.
- EP 1 501 117 A1 discloses a method of growing dislocation and defect poor GaN crystals using an epitaxial lateral overgrowth (ELO) mask and a so-called defectseeding mask of Pt, Ni or Ti together.
- ELO epitaxial lateral overgrowth
- WO 2007/068756 A1 describes a method for producing low dislocation density GaN.
- a so-called universal-lateral-overgrowth method is presented which, in principle, even without a mask and only by adaptation of 3D and 2D growth parameters leads to a reduction of threading dislocations and bending-poor and crack-free GaN layers.
- US 2003/0232457 A1 discloses a GaN template using an AlGaN intermediate layer between a sapphire substrate and a GaN layer and adjusting a compressive strain.
- Klein et al., Journal of Crystal Growth 324, 63-72 (2011 ) describe a method of making a template comprising a sapphire substrate and at least one Al 0.2 Ga 0.8 N crystal layer, wherein a SiN x interlayer is at a distance from the foreign substrate or AlN nucleation layer formed thereon 150 nm or 170 nm is applied; the SiN x interlayer to reduce the dislocation density in order to achieve a gradual transition from the sapphire (Al 2 O 3) to the desired -Gitterkonstante different lattice constant and continuous voltage adapted to the purpose.
- III-N crystals are obtained, which are exposed to strong extrinsic and intrinsic stress, which can cause cracks or other material defects, which may increase the material quality and processability to III-N Restrict substrates.
- a template ie a unit comprising sapphire-comprising foreign substrate and a relatively thin III-N crystal layer, such a template unit itself being used as the starting product for the subsequent production of III-N crystal boules / ingots or of III-N- Components function
- the correct influencing of the critical parameters curvature and strain of the template in each case alternatively recognized as particularly important for advantageous properties of the template and its further use can be very favorably influenced by carefully selected factors, which include in particular the provision and layering of a masking material depending on the position or layer position in the template, whereby especially a later crack formation using the template according to the invention is effective can be counteracted.
- curvature adjustments that are relevant to the invention and that are favorable for the further use of the template are (i) that a curvature difference (K a -K e ) to be specified later in at least one growth phase during template production Range ⁇ 0, and more preferably> 0, or (ii) that the template prepared is substantially non-curved or negatively (convexly) curved in the state of growth.
- a curvature difference K a -K e
- the abovementioned technical solutions (i) and (ii) can also be realized independently of surface structuring of the sapphire substrate provided ; Namely, the latter concerns only conventional ex situ patterns, such as opening windows, forming stripes or dots, and other mask structures, such as by (photo) lithography, ie conventional cases in which the desired curvature behavior is not as in the invention can be adjusted.
- a voltage selectively and, if desired, in a specific voltage value which is favorable for further processing;
- the process according to the invention accordingly permits an advantageous adjustment of the strain in the III-N crystal layer of the template with a value ⁇ xx at room temperature (alternatively, or additionally, at a growth temperature ) of ⁇ xx ⁇ 0 and especially ⁇ xx ⁇ 0, and, furthermore, of particularly suitable negative ⁇ xx values, which has a very favorable effect on the inventive re-use of the template and thus represents an alternative feature of the product of the template according to the invention.
- the inventive method can be designed so that during a given growth phase of the III-N material layer of the template noticeably decreases a given curvature despite the further growth of the III-N material layer.
- a controlled intrinsic - typically compressive - stress in epitaxial crystal growth can be selectively controlled or a curvature can be set to zero or nearly zero, so that during the subsequent growth of III-N crystals, eg III-N solid crystals - optionally during continued growth without growth interruption, or as part of a separate growth process with interruption - and even during final cooling, cracks can be avoided.
- Crack-free III-N crystal means that it has no crack on an area of 15 cm 2 when viewed every 30 mm 2 image sections with an optical microscope.
- the microscopic property of the deformation ⁇ xx of the lattice constant a can be influenced.
- the deformation ⁇ is generally referred to in mechanics as a strain tensor , where ⁇ xx means its first component.
- III-N crystals of templates of the present invention have an ⁇ xx value of ⁇ 0, more preferably of ⁇ 0. Such templates are outstandingly suitable as starting materials for the growth of further epitaxial layers of the III-N system, in particular for producing thick III-N layers and boules (massive crystals).
- temperatures stated in the application refer to the temperatures set corresponding to heaters, i. nominally set temperatures for respective steps (process temperature).
- the temperatures at the template / wafer are typically slightly lower, which may vary depending on the type of reactor; e.g. down to 75K.
- the temperatures at the template / wafer are about 30-50K below the process temperature.
- the template can be significantly influenced by suitable positioning of an intermediate layer of mask material with respect to the relevant parameter growth surface curvature on the template and / or appropriate strain in the template such that the subsequent growth of III-N single crystals with outstanding properties is made possible, and in particular the subsequent tendency to crack formation in growing on the template III-N single crystals is significantly reduced.
- a substrate is initially provided, which is selected from sapphire-containing or sapphire starting substrates and such starting substrates with structures formed thereon, for example, certain external ( ex situ ) formed mask structures.
- a further possibility of providing a suitable starting substrate may include the formation of intermediate layers or intermediate structures for the purpose of assisting the subsequent detachment from the starting substrate, and / or the formation of a so-called GaN nanorase, in which a substrate having a GaN substrate formed thereon is used.
- Complianz layer starting with nano-column structure such as in WO2006035212A1 . WO2008096168A1 . WO2008087452A1 . EP2136390A2 and WO2007107757A2 described.
- An optionally performed ex situ patterning such as the opening of windows and other mask structures thus belongs at best to the step of providing the starting substrate, but not to the actual step of introducing the mask intermediate layer, as described below in connection with the inventive method.
- a foreign substrate with sapphire is used, preferably it is sapphire. More preferably, a c-orientation sapphire substrate is used with a tilt of (1-100) or (11-20) around 0.1-0.5 ° and single-sided epi-ready polish and polished and / or preferably lapped back.
- the starting substrate has a surface structured by lithography or by wet-chemical or dry chemical etching (eg ICP etching).
- the thickness of a substrate is substantially larger than the thicknesses of III-N material and layers formed thereon, and further that a major part of the grown III-N Layer of the template (b.105A and 105B, respectively) is substantially larger than a thickness of III-N material (b.103A and 103B respectively) below the intermediate layer with mask material (b.p. 102A and 102B, respectively), caused by respective breaks is indicated on the respective left edge of the layers 100A / 100B and 105A / 105B.
- the provision of the respective substrates 100A and 100B is first shown in the same step (1).
- the respective substrates may optionally be pretreated as described above, in particular they may each be subjected to a desorption step and a nucleation step.
- a desorption step for example, hydrocarbon radicals, but also other volatile impurities, can be removed from the starting substrate or structured or otherwise pretreated substrate.
- the starting substrate is heated in the process to an elevated temperature, preferably to a temperature of 1100 to 1300 ° C, more preferably to a temperature of 1150 to 1250 ° C, eg, about 1200 ° C.
- the starting substrate is subject to warping (warping, curvature), usually with a concave curvature with respect to the surface on which subsequently the III-N material is deposited.
- the desorption step may also optionally be followed by nitriding with ammonia.
- Another optional step is that after desorption, the temperature is lowered, for example to a temperature between 400 and 600 ° C, preferably to a temperature between 450 and 550 ° C. During this cooling, the - typically concave - curvature decreases again, for example to the level as at the beginning of the heating to the desorption step.
- Provision and pretreatment of a substrate in the method of making a template of the present invention may preferably further comprise a nucleation step of growing crystalline III-N material, especially minute III-N crystallites, onto the starting substrate.
- This step is schematically in so far same step (2) of Fig. 1A and 1B shown.
- the crystalline III-N material 101A or 101B, especially the III-N crystallites serve as crystallization nuclei in the subsequent further III-N crystal growth.
- III-N crystallites have sizes of z. B. 1 to 40 nm with irregular shapes, are usually disordered on the starting substrate and form suitably first a non-contiguous nucleation layer.
- This nucleation step typically occurs at temperatures of 400 to 600 ° C, preferably 450 to 550 ° C, and more preferably 500 to 540 ° C in the case of low temperature GaN nucleation.
- AlN nucleation typically occurs at temperatures of 850 to 1050 ° C, preferably 900 to 1000 ° C, and more preferably 950 to 960 ° C.
- an optional recrystallization can take place.
- the further steps of the respective embodiments according to the invention may vary as far as the time and position of the layer of the mask material and the consequences resulting therefrom, as separated in each case Fig. 1A and Fig. 1B illustrated.
- an intermediate layer of mask material 102A is already applied directly to the nucleation layer 101A, even before coalescence of the crystallites occurs.
- this deposition of the intermediate layer does not take place directly on the nucleation layer, but only after a very short phase of III-N growth, but still very close in the nm range at the nucleation layer, for example in a range of up to 30nm distance.
- nucleation layer 101B is first of all subjected to a III-N growth for a specific, generally still relatively short time, for example until it has a small thickness of 30 nm or above and suitably up to about 300 nm, preferably to about 100 nm, and according to the invention to about 50 nm of the crystalline III-N layer 103B has formed, and only then an intermediate layer of mask material 102B is applied at the appropriate distance from the nucleation layer of the substrate.
- the deposition of the designated intermediate layer 102A or 102B is conveniently and advantageously done in situ in the same reactor using a process compatible with the III-N layer growth technique.
- the simplest way is to deposit nitride mask material, such as silicon nitride, because its deposition is well compatible with III-N deposition techniques.
- same or similar, or at least compatible conditions are selected in terms of reactor pressure and temperature as in the III-N deposition and otherwise adapted only suitable gas compositions and gas flow rates, so this process modification is easy to handle.
- a silane gas and ammonia are flowed into the reactor and at a suitable pressure and suitable temperature of, for example, 800 ° C. to 1200 ° C., preferably about 1050 to 1150 ° C. with one another for the reaction and in the form of Si 3 N 4 and optionally further stoichiometric or over or substoichiometric Si x N y compositions deposited on the prepared substrate (100A, 101A).
- the step of depositing mask materials other than SiN, such as TiN, Al 2 O 3 , SiO 2 , WSi, and WSiN, can be easily and appropriately adjusted.
- the mask layer may have different shapes. It is usually evenly distributed on the surface and can form a closed layer, but alternatively it has rather microscopic / nanostructured voids; these possibilities are shown schematically in the drawing in the form of a dashed layer 102A and 102B, respectively.
- the thickness of the "intermediate layer” 102A or 102B, which respectively comprises mask material, is very small, which can be adjusted by appropriate gas flow rates and short process times; it is suitably in the nanometer or sub-nanometer range, for example below 5 nm, more preferably below 1 nm, in particular below one monolayer (ie 0.2 to 0.3 nm or less).
- the distance of the intermediate layer 102A or 102B, from the substrate is low, it is in the range up to a maximum of 50 nm.
- the (continued) growth of a III-N layer 104A, 104B (step (4) in FIG Fig. 1A / 1B ) until the template is at the end of growth (step (5) in Fig. 1A / 1B ) has a III-N layer 105A, 105B of desired thickness in the range of 0.1-10 ⁇ m, preferably in the range of 3 to 10 ⁇ m (total thickness of the III-N layer of the template including the intermediate layer of the mask material and optionally nucleation).
- the characteristics of curvature (measured on the growth surface) and / or strain of the III-N layer of the template are favorably influenced and utilized for subsequent processes.
- step (3) there is initially a slight concave curvature with tensile strain in the III-N crystal 103B, in this case the curvature is at least significantly less increased than compared to a situation without deposition of the mask layer 102B at a suitable position / position, possibly even a decrease in the curvature is achieved and thus a curvature difference K a -K e ⁇ 0 is observed.
- this behavior can be controlled by additionally and specifically setting other process parameters for the purpose of making a supplementary contribution to the relationship K a -K e ⁇ 0, or that the template is substantially non-curved or negatively curved at growth temperature.
- a particularly suitable new process parameter for this purpose is an adaptation and possibly a variation of the III-N growth temperature. In the case of using sapphire as a foreign substrate which has a higher coefficient of thermal expansion than the III-N crystal to be grown, the growth / deposition occurs at a growth temperature lowered from previous growth.
- This temperature change is most effectively carried out during a limited, preferably relatively early, phase of growth of the III-N layer of the template, and growth is continued at this reduced temperature.
- Substantial curvature reduction with K a -K e > 0 is additionally achieved, for example, by the growth temperature being lowered by at least 10 ° C. in at least one growth phase of the III-N crystal of the template.
- the lowering of the growth temperature is preferably at least 20 ° C and more preferably in the range of 20-50 ° C and especially in the range of 25-40 ° C.
- a common growth temperature is, for example, in the range of 900 ° C to 1200 ° C, preferably about 1020 to 1150 ° C, more preferably about 1100 ° C ⁇ 20 ° C ,.
- a usual growth temperature is in the range of 1070-1,250 ° C, preferably 1,090-1,270 ° C, and more preferably 1,170 ° C. Temperatures for the deposition of other III-N materials are adjusted based on general knowledge.
- the system may first be brought to a correspondingly preselected (first) temperature, at which first temperature possibly only recrystallization takes place and this first temperature is then varied but only so far to a changed (second) temperature at which crystal growth, and preferably epitaxial crystal growth, can continue to take place in order to optionally additionally influence the curvature behavior. If optionally employed, this is preferably done at the onset or coalescence of the growing III-N crystallites or in the early phase of the growing III-N layer of the template. Due to the choice of sapphire as a foreign substrate, the growth temperature is lowered.
- the temperature for the further growth of the III-N layer can be freely selected again, for example in the range of the usual growth temperatures mentioned above, such as for GaN and AlGaN.
- the III component starting from previous steps - such as in the formation of the initial III-N crystallites or the nucleation layer on the substrate as described above - can remain the same when changing to the epitaxial III-N epitaxial growth step, or alternatively it can be varied.
- the nucleation layer (see 102A and 102B in FIG Fig. 1A / B ) may be formed of GaN or AlN
- the epitaxial III-N layer of the template may be formed of GaN or AlGaN (preferably GaN).
- the III components are not changed.
- Fig. 1A and 1B it is ensured that by suitable deposition of a single intermediate layer of the mask material 102A or 102B in the course of the further growth of the entire III-N layer 105A or 105B of the template in the micrometer range (usually up to 10 microns), the curvature continues to decrease, in the case of Fig. 1A with tendency to further negative curvature values, in the case of Fig. 1B on the other hand, because starting from a slightly positive / convex curvature in step (3), a state of substantially missing curvature (see in each case step (5) in Fig. 1A / 1B ).
- the curvature value is referred to at the beginning of the crystal growth of the III-N layer or directly after the deposition of the intermediate layer of the mask material (such as in Fig. 1 for example at step (3)) with "K a " or "K A " (K beginning ) and the curvature value at a later time (such as in Fig. 1 at step (4)) and in particular towards the end of the growth of the III-N layer of the template (approximately according to Fig. 1 in step (5)) with "K e " or "K E " (K end ), the curvature difference (K a -K e ) of the template, measured in each case at growth temperature, has a positive sign.
- K a -K e is at least 5 km -1 , more preferably at least 10 km -1 .
- this curvature difference (K a -K e ) is preferably not too large; it should preferably not be greater than 50 km -1 , more preferably not greater than 20 km -1 .
- steps (5) and (6) represent the respective final states of the finished template, respectively at growth temperature (step (5)) and after cooling at room temperature (step (6)).
- all of the crystal growth steps described above in the first embodiment, including the optional nucleation step, are carried out via metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
- MOVPE metal-organic vapor phase epitaxy
- the crystal growth steps described above can also be carried out via HVPE.
- a template becomes according to the invention which is excellent as an initial template for reuse or processing for epitaxial growth of others Layers and in particular of other III-N layers is suitable and then the problem of tendency to cracking can be met, especially if subsequently grown much thicker III-N layers such as III-N solid crystals (ingots, boules) or deposited.
- Suitable techniques for growth or deposition of thicker III-N layers as III-N bulk crystals can be selected, for example, vapor phase epitaxy (vapor phase epitaxy VPE) - including, in particular, the hydride vapor phase epitaxy (HVPE), Ammonothermalvon, sublimation and the like.
- vapor phase epitaxy VPE vapor phase epitaxy VPE
- HVPE hydride vapor phase epitaxy
- Fig. 2 Illustrates an exemplary course of the method according to the invention according to a possible embodiment Fig. 2 ,
- the following parameters are plotted over time: the change in the growing surface (indicated by the decreasing amplitude of the reflectivity, in arbitrary units au in the lower part of the figure) and the temperature (ordinate left, upper line corresponding to process temperature, lower line corresponding to wafer temperature ) and the change in curvature (ordinate right) of the growth surface.
- the measurement of the curvature of the growth surface takes place in-situ, feasible with an EpicurveTT curvature measuring system of the company LayTec (Berlin, Germany), which makes it possible to simultaneously obtain data on the temperature, reflection and curvature of the growth surface. Individual process steps or sections are in FIG. 2 specified.
- the III-N (GaN) layer of the template With such a procedure, it becomes possible for the III-N (GaN) layer of the template to be substantially non-curved at the end at the growth temperature, ie, at a thickness in the order of a few ⁇ m;
- the curvature value (K E ) at epitaxial growth temperature can be in the range of a maximum of ⁇ 30 km -1 , more preferably ⁇ 20 km -1 to be zero.
- the procedure may, if desired, be varied so that at the end K E is negative at growth temperature and thus the template has a convex curvature. After cooling to room temperature, the template shows a significantly increased convex curvature and thus a noticeable compressive strain.
- Fig. 3 is a corresponding course (presentation and caption as in Fig. 2 indicated) on sapphire samples as starting substrates, if other than in Fig. 2 an intermediate layer of masking material is deposited much later (namely 300 nm).
- an intermediate layer of masking material is deposited much later (namely 300 nm).
- a concave curvature ie, K A -K E is ⁇ 0.
- the execution also shows Fig. 3 in that, with a predetermined definition of the distance, the degree of curvature in the template obtained can be adjusted as desired. Accordingly, the template of Fig.
- the deposition of the intermediate masking material layer is at a very small distance (from about 0 nm to about 50 nm, cf. Fig. 2 with exemplary distance of 15 nm) strongly advantageous, here in comparison to the result after Fig. 3 at a distance of about 300 nm.
- Fig. 4 schematically shows in a possible variant, the expected change in the curvature of the growth surface (right ordinate) and applied temperature (left ordinate, upper line corresponding process temperature, lower line corresponding to wafer temperature) for the case of a possible further embodiment of the present invention, optionally a deposition of an intermediate layer with mask material is combined with a reduction in the III-N growth temperature during the growth of the III-N layer of the template.
- a sapphire foreign substrate which also includes applying a very thin GaN or AlN nucleation layer (recognizable in the graphs in the sections of an initial high temperature followed by cryogenic phase)
- it is first heated again to growth temperature , Then possibly a - not shown here - Rekristallisationsphase connected, then as described above, an intermediate layer with Mask material to be deposited, which can be done as described, for example, at a time when already above 50 nm, or over 100 nm and or, for example, 300 nm thick III-N layer has grown.
- a very thin GaN or AlN nucleation layer recognizable in the graphs in the sections of an initial high temperature followed by cryogenic phase
- illustrated base embodiments will now, either simultaneously with this interlayer deposition or in a certain, preferably short period before or after a temperature drop (see Fig. 4 indicated temperature ramp of about 30 ° C after raising to growth temperature) and then the growth of the III-N layer of the template continued at this lowered temperature to obtain an additional contribution to curvature reduction.
- the curvature of the template at the growth surface is expected to decrease in the course of further growth, ie K A -K E is well above zero, as in principle in Fig. 4 illustrated.
- Fig. 5A . 5B and 5C can be seen, wherein Figs. 5B and 5C still results to comparisons without interlayer included (each lines (B) and (E)).
- Fig. 5A-C the bending behavior of the III-N layer of the template is plotted at growth temperature versus its thickness. Show Fig. 5A and 5B the section of the preparation of corresponding templates, wherein the MOVPE was used as an example as a growth technique, whereas Fig.
- the template obtained according to the invention has advantageous properties and features, which are further described below. As such, it is an interesting commercial item, but it may also be further processed directly thereafter or, alternatively, indirectly after provision, storage, or shipping, as a template in the context of further steps described below.
- a template for producing further III-N single crystal according to the present invention is not curved or substantially not curved in the temperature range of epitaxial crystal growth, or it is negatively curved.
- the expression "im essentially not curved” is preferably defined so that the curvature value (K e ) at zero epitaxial growth temperature is within ⁇ 30 km -1 , preferably within ⁇ 10 km -1, around zero, the term" not curved "then means a K e value about zero, eg 0 ⁇ 5 km -1 and especially 0 ⁇ 2 km -1 ; and the term “negatively curved” is then defined by a curvature at growth temperature in the
- the exact curvature value may vary; but according to the invention it remains with the intended setting of a (substantially) non-curvature or a negative curvature.
- the curvature at room temperature is altered as compared to the curvature at growth temperature, which may under certain circumstances be significantly altered.
- the template becomes due to plastic deformation during cooling from the growth temperature to room temperature, mainly due to the different thermal expansion coefficients of the different crystalline materials - In addition impressed (only generated by extrinsic compression) voltage.
- Fig. 1A and Fig. 1B with a state of the final stage (6) of the template according to the invention are schematically illustrated at room temperature, wherein in comparison to the final stage (5) at growth temperature in each case a significantly more negative curvature is present.
- K T (dGaN; dSaphir) K T (7 ⁇ m; 430 ⁇ m) x (430 ⁇ m / d sapphire ) 2 x (d GaN / 7 ⁇ m).
- a further possibility to characteristically describe the product or structural properties of the template obtained according to the invention is possible by specifying the deformation of the lattice constant or the strain.
- ⁇ xx Lattice constant a - Lattice constant a 0 Lattice constant a 0 where a represents the actual lattice constant in the crystal and a 0 represents the theoretically ideal lattice constant.
- n ⁇ 2 d hkl sin ⁇ first for the lattice constant c from a 2Theta scan with three-axis geometry in symmetric reflections such as 004.
- the ideal lattice constant after V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959-965 ) c0 5.18523 ⁇ 0.00002 ⁇ .
- the determination of the lattice constants a then takes place according to the likewise eg MA Moram and ME Vickers, Rep. Prog. Phys.
- the determination of the strain ⁇ xx is easily possible by Raman spectroscopy, eg as in I. Ahmad, M. Holtz, NN Faleev, and H. Temkin, J. Appl. Phys. 95, 1692 (2004 );
- the biaxial modulus of elasticity 362 GPa is taken as the value from the literature, with a very similar value of 359 GPa J. Shen, S. Johnston, S. Shang, T. Anderson, J. Cryst. Growth 6 (2002) 240 it can be seen; thus, a value for the biaxial elastic modulus M f of about 360 GPa is appropriate and consistent.
- a template according to the present invention may further have a compressive stress of ⁇ xx ⁇ -0.70 GPa at room temperature, and / or the deformation ⁇ xx of the template at room temperature may be in the range of ⁇ xx ⁇ 0, preferably in the range 0> ⁇ xx ⁇ -0.003, more preferably in the range -0.0015 ⁇ ⁇ xx ⁇ -0.0025 (or -0.0015> ⁇ xx ⁇ -0.0025), and especially in the range -0.0020 ⁇ ⁇ xx ⁇ -0.0025.
- a suitable curvature measuring device that can be used in conjunction with a gas phase epitaxy system is, for example, the curvature measuring device of Laytec AG, Seesener Strasse, Berlin Germany (cf. DE102005023302A1 and EP000002299236A1 ). These curvature measuring devices work well with available gas phase epitaxy equipment, such as the MOVPE, HVPE or MBE (Molecular Beam Epitxy) also combine and enable temperature measurement at the wafer surface.
- a template is obtained which, due to the properties described above, is suitable for producing crystals of special quality and with special features in further epitaxial growth steps.
- the template according to the invention is thus outstandingly suitable for further use, that is to say it can be provided as such, temporarily stored or sent for further use, or it can be used further directly in an overall process.
- the template provided in step aa) comprises the above-described intermediate layer with mask material, in which respect reference may be made to the above description for forming the template having such an intermediate layer.
- an intermediate layer need not necessarily be present, because the curvature state defined in step aa) can alternatively be adjusted by other conditions, especially by appropriate temperature control and variation during III-N growth of the Templats, as also described elsewhere.
- a compressive stress of ⁇ xx ⁇ -0.70 GPa may be present.
- the deformation ⁇ xx at room temperature of the template according to the invention preferably has a value in the range 0> ⁇ xx ⁇ -0.003, more preferably in the range -0.0015 ⁇ ⁇ xx ⁇ -0.0025 (or -0.0015> ⁇ xx ⁇ - 0.0025) and in particular in the range -0.0020 ⁇ ⁇ xx ⁇ -0.0025.
- III-N single crystals can be prepared which are obtained by - without or with interruption between steps aa) and bb) - additional epitaxial crystal growth on the template obtained according to the invention for forming further III-N crystal is performed. Further epitaxial III-N crystal growth can be carried out at a growth temperature that can be chosen independently of the aforementioned crystal growth temperatures.
- III-N materials can be grown whose III component can be chosen and varied as desired. Accordingly, at least one (possibly further) GaN, AlN, AlGaN, InN, InGaN, AlInN or AlInGaN layer (s) can be applied to produce correspondingly thicker III-N layers or III-N single crystals , Preferably, both the III-N crystal layer of the template and the epitaxially grown III-N crystal form a purely binary system, e.g.
- GaN, AlN or InN, or the III-N crystal layer of the template is a binary system, especially GaN (at least mainly because the nucleation layer may optionally be of a different material, such as AlN), and III-N epitaxially grown thereon Crystal is a freely selectable binary or ternary III-N material, in particular binary GaN.
- Step bb) may immediately follow step aa), alternatively the process may be interrupted therebetween. It is possible to change the reactor between steps, which in turn allows the growth of III-N crystals in step bb) via a different growth method than was used in the preparation of the template provided after step aa) to obtain the respective steps to select optimal conditions.
- the additional epitaxial crystal growth on the template prepared according to the invention is preferably carried out by HVPE.
- the favorable choice of step bb) under HVPE conditions allows high growth rates and, correspondingly, the achievement of thicker layers.
- epitaxial crystal growth can be performed on the template provided, so that after completion of the epitaxial growth with significantly reduced risk of cracking, thick III-N single crystals of very good crystal quality with layer thicknesses of at least 1 mm, preferably of at least 5 mm, more preferably of at least 7 mm, and most preferably of at least 1 cm. Due to the freedom from cracking, the entire thickness of the solid crystal can advantageously be utilized.
- the crack-free III-N single crystal may optionally be separated from the substrate (optional step cc)). This is done in a preferred embodiment by self-detachment, such as when cooling from a crystal growth temperature. In another embodiment, the separation of III-N single crystal and the substrate may be accomplished by abrading, sawing or a lift-off process.
- the epitaxially grown III-N single crystal has a sufficiently large thickness to obtain a so-called III-N boule or intrin, it is possible to singulate this single crystal by suitable methods of forming a plurality of individual thin slices (wafers) ,
- the singulation of the single crystals includes common methods for cutting or sawing III-N single crystals.
- the wafers thus obtained are outstandingly suitable as a basis for the production of semiconductor devices and components, for example optoelectronic or electronic components.
- the wafers produced according to the invention are suitable for use as power components, high-frequency components, light-emitting diodes and lasers.
- Suitable dopants include n- and p-type dopants and may include elements selected from the group consisting of Be, Mg, Si, Ge, Sn, Pb. Se and Te.
- suitable dopants may include elements selected from the group consisting of C, Fe, Mn and Cr.
- the crack-free III-N single crystal of gallium nitride is composed, and this crystal has a lattice constant a in the growth direction in the range of ⁇ a 0 , in particular in the range of 0.31829 nm ⁇ a ⁇ 0.318926 nm.
- an MOVPE on pretreated sapphire (which is subjected to desorption and nucleation) is used with the details given below.
- the temperatures mentioned here refer to the nominal set temperature of the heaters; the temperature at the template or crystal is deeper, sometimes lower by about 70 K (cf. Fig. 2 and 3 : here the heater temperature is shown with the upper line and the measured temperature of the wafer with the lower line).
- MOVPE Aixtron 200/4 RF-S reactor single wafer, horizontal
- Fig. 5A shows the course of the curvature at growth temperature (1350 ° K), plotted against the thickness of the grown GaN layer and thus over time, differentiated depending on the distance SiN (Si x N y ) versus the AlN nucleation layer.
- the zero point here refers to the beginning of the continued growth of the III-N layer 104A, 104B (ie after step (3) and before or at step (4) in FIG Fig. 1A / 1B )
- the curvature behavior can be specifically and precisely controlled.
- Table 1 gives the in situ, ie measured at growth temperature ⁇ xx values and measured at room temperature curvature values C (km -1 ) and the determined over C ⁇ xx values at room temperature towards the end of the template production with respective thicknesses by approx. 7 ⁇ m again.
- Example 1 On selected templates prepared according to Example 1, in which GaN layers with SiN intermediate layers directly on the nucleation layer (sample A, not according to the invention) or after very small (15-30 nm, sample D) or larger (300 nm, sample C; not according to the invention), or according to comparative examples in which GaN had grown without SiN (Sample B) or on low-temperature GaN nucleation layer (Sample E), the curvature was followed analogously to Example 1, namely in the range of MOVPE growth until about 7 ⁇ m as in Fig. 5B shown, or in the implementation of further HVPE growth to about 25 ⁇ m as in Fig. 5C shown.
- the results of Figures 5B and 5C again show the significantly better result in terms of setting and behavior of the curvature of the template (A), (C) and (D) according to the invention in comparison to the comparison templates (B) and (E) without SiN intermediate layer.
- Fig. 6 shows typical in situ data of MOVPE growth from GaN to sapphire in another Comparative example, wherein in the lower graph, the development of the curvature during the process for three different sapphire substrates is shown (see. Brunner et al. in J. Crystal Growth 298, 202-206 (2007 )).
- the arrows refer to the curvature values K A and K E to be read.
- K A of 50 km -1
- K E of 70 km -1
- K A -K E ⁇ 0 K A -K E ⁇ 0
- the GaN layer is intrinsically tensilely tensed at growth temperature.
- this strain of the GaN layer is superimposed on an extrinsically compressive strain.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Verbundsubstraten (im Folgenden "Templat(e)" genannt) und zur Herstellung von III-N-Einkristallen. Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die Herstellung von rissfreien III-N-Einkristallen, die insbesondere für die Verwendung als Wafer geeignet sind. III bedeutet mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In.The present invention relates to processes for the preparation of composite substrates (hereinafter referred to as "template (s)") and to the production of III-N single crystals. The processes according to the invention make it possible to produce crack-free III-N single crystals, which are particularly suitable for use as wafers. III means at least one element of the third main group of the periodic table selected from the group of Al, Ga and In.
III-N-Einkristalle sind von großer technischer Bedeutung. Auf diesen Materialien beruhen eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen und optisch-elektrischer Bauelemente wie Leistungsbauelemente, Hochfrequenzbauelemente, lichtemittierende Dioden und Laser. Bei der Herstellung solcher Vorrichtungen wird häufig epitaxiales Kristallwachstum auf einem Startsubstrat durchgeführt, oder es wird auf einem Startsubstrat zunächst ein Templat gebildet, worauf nachfolgend durch weiteres epitaxiales Wachstum III-N-Schichten bzw. -Einkristallkörper abgeschieden werden können. Als Startsubstrate können III-N-Substrate oder insbesondere Fremdsubstrate verwendet werden. Bei Verwendung von Fremdsubstraten kann es während des Wachstums aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Startsubstrat und aufgewachsener Schicht zu Verspannungen und Rissen innerhalb einer III-N-Schicht kommen. Dickere Schichten können auch unter Zuhilfenahme von zum Teil strukturierten, in einem externen Verfahren aufgebrachten Zwischenschichten aus WSiN, TiN oder SiO2 gewachsen werden und im Anschluss als freistehende Schichten abgelöst werden, die typischerweise plastische, konkav verbogene c-Gitterebenen und Oberflächen aufweisen. An und oberhalb der Grenzfläche zwischen Startsubstrat und aufgewachsener III-N-Schicht können vertikale und horizontale Mikrorisse entstehen, die sich mit der Zeit ausdehnen und zum Bruch der GaN-Schicht bei oder nach dem Abkühlungsprozess führen können.III-N single crystals are of great technical importance. These materials are based on a large number of semiconductor components and optical-electrical components such as power components, high-frequency components, light-emitting diodes and lasers. In the production of such devices, epitaxial crystal growth is often carried out on a starting substrate, or a template is initially formed on a starting substrate, whereupon III-N layers or single crystal bodies can subsequently be deposited by further epitaxial growth. As starting substrates III-N substrates or in particular foreign substrates can be used. When using foreign substrates, strain and cracking within a III-N layer may occur during growth due to differences in the thermal expansion coefficients of the starting substrate and the grown layer. Thicker layers can also be grown with the aid of partially structured, deposited in an external process intermediate layers of WSiN, TiN or SiO 2 and are subsequently detached as free-standing layers, which typically have plastic, concave bent c-lattice planes and surfaces. At and above the interface between the starting substrate and the grown III-N layer, vertical and horizontal microcracks may develop that may expand with time and lead to breakage of the GaN layer during or after the cooling process.
Aus Untersuchungen von
Um bei Mehrschichtaufbauten von III-N-Schichten auf Fremdsubstraten der Erzeugung von Spannung, namentlich von tensiler Spannung, mit zunehmendem Wachstum der III-N-Schichtaufbauten entgegenzuwirken, werden in der
Ferner werden in der
Auch in weiteren Beispielen und anderen Zusammenhängen wird der Einfluss von Maskenschichten auf die Veränderung der Versetzungsdichte beschrieben, so etwa bei
Furthermore, in the
Also in further examples and other contexts the influence of mask layers on the change of the dislocation density is described, for example at
In
Den Verfahren des vorbeschriebenen Stands der Technik ist gemein, dass nach Wachstum und Abkühlung III-N-Kristalle erhalten werden, die starker extrinsischer und intrinsischer Verspannung ausgesetzt sind, wodurch Risse oder andere Materialfehler entstehen können, die die Materialqualität und die Verarbeitbarkeit zu III-N-Substraten einschränken.The processes of the above-described prior art have in common that after growth and cooling, III-N crystals are obtained, which are exposed to strong extrinsic and intrinsic stress, which can cause cracks or other material defects, which may increase the material quality and processability to III-N Restrict substrates.
Daher war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Herstellungsverfahren für Template und III-N-Kristalle bereitzustellen, die es ermöglichen, III-N-Kristalle unter Bedingungen zu wachsen, die den Einschluss von Materialfehlern minimiert und die Kristallqualität sowie die Verarbeitbarkeit verbessert.Therefore, it was an object of the present invention to provide template and III-N crystal preparation methods that enable III-N crystals to grow under conditions that minimize the inclusion of material defects and improve crystal quality and processability.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie ein neues Templat gemäß Anspruch 11 bereit. Nützliche Verwendungen sind in den Ansprüchen 13 und 14 definiert.This object is achieved by a method according to
Erfindungsgemäß wurden in einem Templat (d.h. einer Einheit mit Saphir umfassendem Fremdsubstrat und relativ dünner III-N-Kristallschicht, wobei eine solche Templat-Einheit ihrerseits als Ausgangsprodukt zur anschließenden Herstellung von III-N-Kristall-Boules/Ingots oder von III-N-Bauelementen fungiert) die richtige Beeinflussung der kritischen Parameter Krümmung und Verspannung des Templats jeweils alternativ als besonders wichtig erkannt für vorteilhafte Eigenschaften des Templats und dessen Weiterverwendung. Es wurde überraschend gefunden, dass diese Parameter durch sorgfältig ausgewählte Faktoren, welche insbesondere das Vorsehen und schichtweise Aufbringen eines Maskenmaterials je nach Position bzw. Schichtlage im Templat einschließt, sehr günstig beeinflusst werden können, wodurch vor allem einer späteren Rissbildung unter Verwendung des erfindungemäßen Templats wirksam entgegengewirkt werden kann. Zu den erfindungsgemäß relevanten und für die Weiterverwendung des Templats günstigen Einstellungen der Krümmung gehört es gemäß alternativer technischer Lösungen dafür zu sorgen, (i) dass eine später noch näher spezifizierte Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) in mindestens einer Wachstumsphase bei der Templatherstellung auf den Bereich ≥ 0 und insbesondere >0 eingehalten wird, oder (ii) dass das hergestellte Templat im Zustand auf Wachstumstemperatur im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ (konvex) gekrümmt ist. Erfindungsgemäß können Template hergestellt werden, die unter epitaxialen Kristallwachstumsbedingungen keine oder annähernd keine Krümmung oder eine negative Krümmung und damit nur eine geringe intrinsische Spannung aufweisen, was sich als Ausgangssituation für die Weiterverarbeitung als vorteilhaft herausgestellt hat. Wie experimentell gezeigt ist es erfindungsgemäß möglich, dass die vorgenannten technischen Lösungen (i) und (ii) vorteilhaft ohne Einschluss von Dotierungen in die III-N-Schicht des Templats realisiert werden kann, d.h. dass abgesehen von den Komponenten für die Maskenmaterial-Zwischenschicht keine Fremdkomponenten im Templat vorgesehen sind ("fremd" im Sinne von anderen als die III- und N-Komponenten der III-N-Schicht). Weil erfindungsgemäß darauf geachtet werden kann, dass die Bildung der III-N-Schicht des Templats in situ mit der Bildung der Maskenmaterial-Zwischenschicht erfolgt, können außerdem die vorgenannten technischen Lösungen (i) und (ii) unabhängig von Oberflächenstrukturierungen des bereitgestellten Saphirsubstrats realisiert werden; letzteres betrifft nämlich lediglich herkömmliche, ex situ durchgeführte Musterungen, wie z.B. das Öffnen von Fenstern, das Bilden von Streifen oder Punkten und anderer Maskenstrukturen, etwa mittels (Photo-)Lithographie, herkömmliche Fälle also, in denen das erwünschte Krümmungsverhalten nicht wie gemäß der Erfindung eingestellt werden kann.According to the invention, in a template (ie a unit comprising sapphire-comprising foreign substrate and a relatively thin III-N crystal layer, such a template unit itself being used as the starting product for the subsequent production of III-N crystal boules / ingots or of III-N- Components function) the correct influencing of the critical parameters curvature and strain of the template in each case alternatively recognized as particularly important for advantageous properties of the template and its further use. It has surprisingly been found that these parameters can be very favorably influenced by carefully selected factors, which include in particular the provision and layering of a masking material depending on the position or layer position in the template, whereby especially a later crack formation using the template according to the invention is effective can be counteracted. In accordance with alternative technical solutions, it is necessary to ensure that the curvature adjustments that are relevant to the invention and that are favorable for the further use of the template are (i) that a curvature difference (K a -K e ) to be specified later in at least one growth phase during template production Range ≥ 0, and more preferably> 0, or (ii) that the template prepared is substantially non-curved or negatively (convexly) curved in the state of growth. According to the invention, it is possible to produce templates which have no or almost no curvature or a negative curvature and thus only a low intrinsic stress under epitaxial crystal growth conditions, which has proven to be advantageous as a starting point for further processing. As experimentally shown, it is possible according to the invention that the aforementioned technical solutions (i) and (ii) can advantageously be realized without inclusion of dopants in the III-N layer of the template, ie that apart from the components for the mask material intermediate layer no Foreign components are provided in the template ("foreign" in the sense of other than the III and N components of the III-N layer). Since, according to the invention, it can be ensured that the formation of the III-N layer of the template takes place in situ with the formation of the mask material intermediate layer, the abovementioned technical solutions (i) and (ii) can also be realized independently of surface structuring of the sapphire substrate provided ; Namely, the latter concerns only conventional ex situ patterns, such as opening windows, forming stripes or dots, and other mask structures, such as by (photo) lithography, ie conventional cases in which the desired curvature behavior is not as in the invention can be adjusted.
Im Fall von derart optional bereitgestellten Oberflächenstrukturierungen des Saphirsubstrats selbst, die gegebenenfalls Maskenmuster aufweisen können, wird erfindungsgemäß ferner darauf geachtet, zusätzlich Maskenmaterial als Zwischenschicht zumindest teilweise direkt auf dem Saphirsubstrat oder der gegebenenfalls vorhandenen III-N-Nukleationsschicht darauf (d.h. unmittelbar angrenzend), oder im kristallinen III-N-Material des Templats in einem passenden Abstand zu der Hauptoberfläche des Saphirsubstrats oder der gegebenenfalls vorhandenen III-N-Nukleationsschicht darauf (d.h. insoweit ein Kontakt zu Substrat bzw. III-N-Nukleationsschicht stattfindet) abzuscheiden, selbst wenn optional solche Oberflächenstrukturierungen auf dem Saphirsubstrat bereitgestellt werden. Außerdem sind die Dimensionen unterschiedlich: ex situ durchgeführte Oberflächenmaskierungen und -muster weisen typischerweise eine Dickendimension im µm-Bereich auf, wohingegen die erfindungsgemäß relevante in situ Maskenmaterial-Zwischenschicht typischerweise eine Dickendimension im sub-µm-Bereich aufweist.In the case of such optionally provided surface structuring of the sapphire substrate itself, which may optionally have mask patterns, it is further ensured according to the invention, in addition mask material as an intermediate layer at least partially directly on the sapphire substrate or the optionally present III-N nucleation layer thereon (ie immediately adjacent), or in the crystalline III-N material of the template at an appropriate distance from the major surface of the sapphire substrate or the optional III-N nucleation layer thereon (ie, where contact with substrate or III-N nucleation layer takes place), even if optional Surface structures are provided on the sapphire substrate. In addition, the dimensions are different: surface masking and patterns performed ex situ typically have a thickness dimension in the micron range, whereas the in situ masking material intermediate layer relevant to the invention typically has a thickness dimension in the sub-micron range.
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Spannung gezielt und falls gewünscht in einem bestimmten, für die Weiterverarbeitung günstigen Spannungswert quantitativ einzustellen; insbesondere kann erfindungsgemäß ein Templat in einen spannungsfreien, gegebenenfalls sogar kompressiv verspannten Bereich zu drehen. Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform allein durch das wie hier beschrieben passende Vorsehen einer Maskenmaterial-Zwischenschicht bewerkstelligt werden.According to the invention, it is possible to set a voltage selectively and, if desired, in a specific voltage value which is favorable for further processing; In particular, according to the invention, it is possible to turn a template into a tension-free, optionally even compressively tensioned region. This may be accomplished in a preferred embodiment solely by the provision of a masking material interlayer as described herein.
Das erfindungsgemäße Verfahren, und in verstärktem Maße die Beachtung der bevorzugten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, erlaubt entsprechend eine vorteilhafte Einstellung der Verspannung in der III-N-Kristallschicht des Templats mit einem Wert εxx bei Raumtemperatur (alternativ, oder zusätzlich auch, bei einer Wachstumstemperatur) von εxx≤0 und insbesondere von εxx<0, und darüber hinaus noch von besonders passenden negativen εxx-Werten, was sich auf die erfindungsgemäße Weiterverwendung des Templats sehr günstig auswirkt und somit ein alternatives relevantes Produktmerkmal des erfindungsgemäßen Templats darstellt.The process according to the invention, and to a greater extent the observance of the preferred features of the process according to the invention, accordingly permits an advantageous adjustment of the strain in the III-N crystal layer of the template with a value ε xx at room temperature (alternatively, or additionally, at a growth temperature ) of ε xx ≤0 and especially ε xx <0, and, furthermore, of particularly suitable negative ε xx values, which has a very favorable effect on the inventive re-use of the template and thus represents an alternative feature of the product of the template according to the invention.
Herkömmliche und üblich durchgeführte einschlägige Verfahren haben bisher ein anderes Verhalten gezeigt oder die hier erkannten nützlichen Zusammenhänge nicht erkennen lassen. In herkömmlichen Verfahren unter Verwendung des Standard-Substrats Saphir zum Beispiel bildet sich typischerweise infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Fremdsubstrat und III-N-Schicht sowie weiterer Faktoren bei Wachstumstemperatur eine konkave Krümmung der Wachstumsoberfläche, die dann im Verlauf des weiteren Kristallwachstums, also mit zunehmender Dicke der III-N-Schicht, weiter ansteigt. Überraschend kann das erfindungsgemäße Verfahren so gestaltet werden, dass während einer bestimmten Wachstumsphase der III-N-Materialschicht des Templats eine gegebene Krümmung trotz des weiteren Wachstums der III-N-Materialschicht merklich abnimmt.
Ferner wird bei herkömmlichen Verfahren infolge einer stetig ansteigenden Krümmung eine entsprechend steigende intrinsische - typischerweise tensile - Spannung innerhalb des Kristalls aufgebaut, die gegebenenfalls bereits während des weiteren Wachstums und insbesondere bei Weiterverwendung bzw. -verarbeitung des Templats, spätestens bei Abkühlung von der epitaxialen Wachstumstemperatur, leicht zu Mikrorissen bis hin zu Brüchen führen kann. Demgegenüber kann beim Verfahren der vorliegenden Erfindung eine kontrolliert eingestellte intrinsische - typischerweise kompressive - Spannung beim epitaxialen Kristallwachstum gezielt gesteuert werden oder eine Krümmung auf Null oder nahezu Null eingestellt werden, so dass während des anschließenden Wachstums von III-N-Kristallen, z.B. zur Bildung von III-N-Massivkristallen - wahlweise während eines fortgesetzten Wachstums ohne Wachstumsunterbrechung, oder im Rahmen eines separaten Wachstumsprozesses mit Unterbrechung -, und sogar noch beim endgültigen Abkühlen Risse vermieden werden können.Conventional and commonly used pertinent methods have hitherto shown a different behavior or have not recognized the useful correlations recognized here. For example, in conventional methods using the standard sapphire substrate, due to differential thermal expansion coefficients of the foreign substrate and III-N layer and other factors at growth temperature, a concave curvature of the growth surface typically forms in the course of further crystal growth, that is, increasing thickness the III-N layer, continues to increase. Surprisingly, the inventive method can be designed so that during a given growth phase of the III-N material layer of the template noticeably decreases a given curvature despite the further growth of the III-N material layer.
Furthermore, in conventional methods due to a steadily increasing curvature, a correspondingly increasing intrinsic - typically tensile - stress is built up within the crystal, which may already during further growth and in particular further use or processing of the template, at the latest on cooling from the epitaxial growth temperature, easily lead to microcracks and even fractures. In contrast, in the process of the present invention, a controlled intrinsic - typically compressive - stress in epitaxial crystal growth can be selectively controlled or a curvature can be set to zero or nearly zero, so that during the subsequent growth of III-N crystals, eg III-N solid crystals - optionally during continued growth without growth interruption, or as part of a separate growth process with interruption - and even during final cooling, cracks can be avoided.
In einem solchen III-N-Kristall wird ferner vermieden, dass Risse entstehen, die die Materialqualität und/oder die Verarbeitbarkeit zu III-N-Substraten einschränkt. "Rissfreier III-N-Kristall" gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass er auf einer Fläche von 15 cm2 bei Ansicht von jeweils 30 mm2 Bildausschnitten mit einem optischen Mikroskop keinen Riss aufweist.In such a III-N crystal is further avoided that cracks occur, which limits the material quality and / or the processability to III-N substrates. "Crack-free III-N crystal" according to the present invention means that it has no crack on an area of 15 cm 2 when viewed every 30 mm 2 image sections with an optical microscope.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner die mikroskopische Eigenschaft der Deformation εxx der Gitterkonstante a beeinflusst werden. Die Deformation ε wird in der Mechanik allgemein auch als Verzerrungstensor (strain tensor) bezeichnet, wobei εxx dessen erste Komponente bedeutet.
Bei Kristallgittern ist die Deformation εxx dabei folgendermaßen definiert:
Demgemäß kann durch Aufwachsen von Kristallschichten unter extrinsischem Stress auf die tatsächlich vorliegenden Kristallgitterkonstanten Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann durch extrinsischen Stress eine kompressive Spannung auf den wachsenden Kristall übertragen werden, wodurch Gitterkonstanten gegenüber Wachstum ohne Stress verkürzt werden. Dadurch baut sich innerhalb des Kristalls steuerbar und gezielt intrinsischer Stress auf, der die zuvor genannten Eigenschaften Deformation und Verspannung günstig beeinflusst.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass III-N-Kristalle von Templaten der vorliegenden Erfindung einen εxx-Wert von ≤ 0, weiter bevorzugt von < 0 aufweisen. Solche Template eignen sich hervorragend als Ausgangsprodukte für das Aufwachsen weiterer epitaxialer Schichten des III-N-Systems, insbesondere zum Herstellen von dicken III-N-Schichten und -Boules (Massivkristalle).Further, according to the present invention, the microscopic property of the deformation ε xx of the lattice constant a can be influenced. The deformation ε is generally referred to in mechanics as a strain tensor , where ε xx means its first component.
For crystal lattices, the deformation ε xx is defined as follows:
Accordingly, by growing crystal layers under extrinsic stress, the actual crystal lattice constants actually present can be influenced. For example, a compressive stress can be transmitted to the growing crystal by extrinsic stress, whereby lattice constants are reduced compared to growth without stress. As a result, intrinsic stress builds up within the crystal in a controllable and targeted manner, which favorably influences the aforementioned properties of deformation and stress.
According to the invention, it is preferred that III-N crystals of templates of the present invention have an εxx value of ≤0, more preferably of <0. Such templates are outstandingly suitable as starting materials for the growth of further epitaxial layers of the III-N system, in particular for producing thick III-N layers and boules (massive crystals).
Im Folgenden wird eine Zusammenstellung von Punkten angegeben werden, die Gegenstände, Weiterbildungen und besondere Merkmale der vorliegenden Offenbarung beschreiben:
- 1. Verfahren zur Herstellung eines Templats, welches ein Substrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die Schritte Bereitstellen eines Substrats und
Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat
umfasst, wobei ein Maskenmaterial als Zwischenschicht auf dem Substrat, welches gegebenenfalls eine III-N-Nukleationsschicht aufweist, oder im kristallinen III-N-Material in einem Abstand vom Substrat oder der gegebenenfalls vorgesehenen III-N-Nukleationsschicht abgeschieden wird und danach das Wachstum eines kristallinen III-N-Materials erfolgt oder fortgesetzt wird, wobei der Abstand der Zwischenschicht des Maskenmaterials gegenüber dem Substrat bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht maximal 50 nm beträgt,
und wobei, wenn während des Kristallwachstums die Krümmung der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls zu einem ersten, relativ früheren Zeitpunkt mit Ka und zu einem zweiten relativ späteren Zeitpunkt mit Ke bezeichnet wird, für eine Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) ≥ 0 gesorgt wird.
Bevorzugt ist der Bereich Ka-Ke > 0.
Das Substrat ist als Fremdsubstrat ausgebildet, d.h. ist ein gegenüber dem III-N-Material des Templats verschiedenes Material, insbesondere umfasst das Fremdsubstrat Saphir oder es besteht aus Saphir.
Das Maskenmaterial ist geeigneterweise als ein von Substratmaterial und III-N verschiedenes Material definiert, auf dem III-N-Wachstum gehemmt, gestört oder verhindert ist. Beispiele für das Maskenmaterial werden unten näher beschrieben.
Die Ausdrücke "relativ früh" und "relativ spät" bedeutet ein erster bzw. zweiter Zeitpunkt während des Kristallwachstums, der jeweils Anfang und Ende des gesamten Kristallwachstums der III-N-Kristallschicht sein kann, aber auch nur eine bestimmte Phase des gesamten Kristallwachstums der III-N-Kristallschicht definieren kann und es im letzten Fall nicht darauf ankommt, wie das Krümmungsverhalten vor dem ersten bzw. nach dem zweiten Zeitpunkt ist. Zum Beispiel, ohne aber darauf beschränkt zu sein, ist der relativ frühe erste Zeitpunkt gegeben durch den Zeitpunkt des Aufbringens der Zwischenschicht des Maskenmaterials, und zum Beispiel ist der relativ späte zweite Zeitpunkt gegeben durch das Ende der Herstellungsstufe des Templats, wiederum ohne darauf beschränkt zu sein. Den möglichen Varianten der jeweiligen Zeitpunkte gemeinsam ist eine jeweils günstige Beeinflussung von (Ver-)Spannung im gebildeten III-N-Kristall und/oder vom Krümmungsverhalten bzw. -zustand des Templats bei Wachstumstemperatur und/oder bei Raumtemperatur, jeweils im Vergleich zur Nichtbeachtung der genannten Beziehung Ka-Ke. Der Ausdruck "Zwischenschicht" ist in weitem Sinne zu verstehen, in der Regel als eine Materiallage, die Maskenmaterial umfasst, gegebenenfalls neben Maskenmaterial noch weiteres Material wie etwa das III-N-Material umfasst oder materialfreie Lücken aufweist. Die Dicke der "Zwischenschicht" ist variabel, ist aber in der Regel dünn bis sehr dünn, geeigneterweise im Nanometer-Bereich (z.B. bis maximal 50 nm, vorzugsweise unter 5 nm) oder im Subnanometer-Bereich (z.B. bis unter 1 nm, insbesondere bis unter einer Monolage, d.h. 0,2 0,3 nm oder weniger).bis
Abscheiden des Maskenmaterials der Zwischenschicht "auf dem Substrat" bedeutet direkt angrenzend an eine Oberfläche des Saphirs oder der optionalen III-N-Nukleationsschicht über dem Saphir (nicht erfindungsgemäß), und "in einem Abstand vom Substrat" bezeichnet den Abstand der Lage/Position der Maskenmaterial-Zwischenschicht von dieser Oberfläche. - 2.
Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (Ka-Ke)mindestens 5 km-1,bevorzugt mindestens 10 km-1,weiter bevorzugt mindestens 20 km-1 und insbesondere mindestens 50 km-1 beträgt. - 3. Verfahren gemäß Punkt 1
oder 2, wobei das Templat weiterverwendet wird zum Aufbringen von einer oder mehreren weiteren III-N-Kristallschicht(en), wahlweise zum Herstellen eines III-N-Massivkristalls.
Weil das hergestellte Templat erfindungsgemäß durch Beachtung der Krümmungsdifferenz Ka-Ke günstig beeinflusst wird ist das weitere Krümmungserhalten der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls während eines sich optional anschließenden Aufbringens bzw. Aufwachsens weiteren Halbleitermaterials nicht festgelegt. - 4. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- aa) Bereitstellen eines Templats, welches ein Saphir umfassendes Fremdsubstrat und eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Templat im Bereich einer Wachstumstemperatur nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, wobei im bereitgestellten Templat im Bereich über dem Fremdsubstrat oder in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht so abgeschieden ist, dass ein Abstand der Zwischenschicht des Maskenmaterials gegenüber dem Substrat bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht maximal 50 nm beträgt;
- bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums zum Bilden von weiterem III-N-Kristall auf dem Templat gemäß aa), wahlweise zum Herstellen von III-N-Massivkristall,
- cc) optional Trennen von III-N-Einkristall oder III-N-Massivkristall und Fremdsubstrat. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die erwünschte günstige Nichtkrümmung oder (kompressive oder konvexe) Negativkrümmung des Templats bei dessen Erhitzen im Anfangszustand, d.h. bevor das weitere Wachstums gemäß Schritt bb) erfolgt, durch gezielte Positionierung einer Zwischenschicht des Maskenmaterials in definierter und begrenzter Höhenlage auf/über dem Fremdsubstrat eingestellt wurde. Hierzu und zum Ausdruck "Zwischenschicht" s. die
obigen Punkte 1und 2.
Der Ausdruck "Wachstumstemperatur" bezieht sich auf eine Temperatur, bei der eine Abscheidung, insbesondere ein epitaxiales Wachstum, eines gewünschten III-N-Kristall ermöglicht wird. - 5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Fremdsubstrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7 µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird,
beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT) an der Wachstumsoberfläche- (i) bei Wachstumstemperatur
im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt wird, und/oder - (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von <-200 km-1, vorzugsweise -200 bis -400 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt wird;
- (i) bei Wachstumstemperatur
- 6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall des Templats bei Raumtemperatur einen Krümmungsradius im Bereich von -2 bis -6 m aufweist.
- 7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass im kristallinen III-N-Material eine kompressive Verspannung erzeugt wird.
Die kompressive Verspannung wird primär dadurch erzeugt, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials ohne Abstand bzw. bei einem gezielt festgelegten Abstand vom Saphir-Substrat bzw. der Nukleationsschicht abgeschieden wird. - 8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall des Templats bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx<-0,70 GPa aufweist.
- 9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials auf einer III-N-Nukleationsschicht auf dem Fremdsubstrat abgeschieden wird und anschließend das Wachstum des III-N-Kristalls durchgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials direkt und unmittelbar auf der III-N-Nukleationsschicht des Fremdsubstrats abgeschieden wird, noch bevor die Koaleszenz beendet ist und danach das eigentliche Wachstum des III-N-Einkristalls des Templats einsetzt.
- 10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial bei der Herstellung des Templats auf dem Fremdsubstrat oder innerhalb der III-N-Schicht des Templats in situ in demselben Reaktor abgeschieden wird und/oder unmittelbar nach Abscheidung des Maskenmaterials mit dem III-N-Wachstumsprozess fortgesetzt wird.
- 11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial im Templat in einer Ebene gleichmäßig verteilt ist, bevorzugt aber diskontinuierlich abgeschieden ist.
Obgleich gemäß dieser möglichen Ausführungsformen das Maskenmaterial im Templat im Wesentlichen in einer Ebene vorliegt, kann die Form der Abscheidung unterschiedlich sein. Die Schicht des Maskenmaterials kann eine geschlossene Schicht bilden, alternativ und bevorzugt weist sie jedoch Unterbrechungen auf und ist diskontinuierlich in einer Schicht verteilt; sie kann insbesondere in Form von Netzstrukturen und/oder in Form von Nanoplättchen oder -inseln des Maskenmaterials vorliegen (Nano-Maske mit Maskenmaterial), wobei aus mikroskopischen oder nanodimensionierten Lücken in der diskontinuierlichen Maskenschicht heraus das nachfolgende Wachstum der III-N-Schicht nachfolgen kann. Auch die Dicke der Schicht des Maskenmaterials ist variabel. Den verschiedenen möglichen Abscheidungsformen ist eine jeweils günstige Beeinflussung von (Ver-)Spannung im gebildeten III-N-Kristall und/oder vom Krümmungsverhalten bzw. -zustand des Templats bei Wachstumstemperatur und/oder bei Raumtemperatur gemeinsam. Gewünschte Formen sind durch passende Parameter geeignet einstellbar, zum Beispiel durch Flussraten der entsprechenden Ausgangsmaterialien, durch Reaktordruck, durch Abscheidungstemperatur, oder durch Dauer der Abscheidung des Maskenmaterials. - 12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass keine zweite SiNx-Maske
im Abstand von 1,5µm abgeschieden wird, oder dass überhaupt keine zweite SiNx-Maske abgeschieden wird. - 13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass im Templat nur eine einzige Schicht des Maskenmaterials abgeschieden wird.
- 14. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial ein Material ist, auf dem eine III-N-Abscheidung gehemmt oder verhindert ist.
- 15. Verfahren gemäß dem vorangehenden Punkt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen SiN-Verbindungen führen; insbesondere Si3N4), TiN, AlXOY (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen AlO-Verbindungen führen; insbesondere Al2O3), SiXOY (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen SiO-Verbindungen führen; insbesondere SiO2), WSi, und WSiN besteht. Beim Abscheiden des Maskenmaterials wird vorzugsweise das Maskenmaterial direkt im Reaktor in situ aus entsprechenden reaktiven Spezies der jeweiligen Elemente aus der Gasphase abgeschieden, und vorzugsweise wird direkt danach die Abscheidung des eigentlichen III-N-Kristalls des Templats gestartet bzw. fortgesetzt.
- 16. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Fremdsubstrat aus Saphir besteht.
- 17. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des III-N-Kristalls des Templats in mindestens einer Wachstumsphase durch Variieren der Wachstumstemperatur zusätzlich verändert wird.
- 18. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Abscheidungsphase des III-N-Kristalls des Templats das Wachstum bei einer gegenüber einer vorherigen III-N-Abscheidung abgesenkten Wachstumstemperatur erfolgt.
- 19. Verfahren gemäß Punkt 18, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperaturabsenkung mindestens 10°C,vorzugsweise mindestens 20 °C beträgt, bevorzugt im Bereich von 20-50 °C, weiter bevorzugt im Bereich von 25-40 °C und besonders bevorzugt bei 30°C liegt. - 20. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Substrat eine polierte Oberfläche aufweist.
- 21. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Substrat eine durch Lithographie oder nasschemisches Ätzen oder trockenchemisches Ätzen (z.B. ICP) strukturierte Oberfläche aufweist.
- 22. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Templat oder auf dem darauf epitaxial aufgewachsenen III-N-Kristall mindestens eine und gegebenenfalls weitere GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht(en) zur Herstellung entsprechend weiterer III-N-Schichten oder III-N-Kristalle aufgebracht wird (werden).
- 23. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht des Templats sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall aus demselben III-N Material bestehen.
- 24. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht auf dem Fremdsubstrat sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall jeweils ein binäres System bilden.
- 25. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei nach Abscheiden der Zwischenschicht des Maskenmaterials in situ zusätzliches Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall mit einer Gesamtdicke
im Bereich von 0,1-10 µm erfolgt, vorzugsweise mit einer Dickeim Bereich von 3bis 10 µm, wodurch ein Templat erhalten wird, wobei die Gesamtdicke der III-N-Schicht des Templats einschließlich der Zwischenschicht des Maskenmaterials gerechnet wird. - 26. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass MOVPE als Aufwachsmethode verwendet wird.
- 27. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Templat III-N-Einkristalle gewachsen werden mit
Schichtdicken von mindestens 1 mm, bevorzugtvon mindestens 5 mm, mehr bevorzugt von mindestens 7 mm und am meisten bevorzugtvon mindestens 1 cm. - 28. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallwachstum mindestens im Schritt nach Abschluss der Templatbildung, gegebenenfalls von Anfang an und in allen Kristallwachstumsschritten, mittels HVPE durchgeführt wird.
- 29. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Kristallwachstums der gewachsene III-N-Einkristall und das Saphir umfassende Fremdsubstrat durch Selbstablösung voneinander getrennt werden, vorzugsweise beim Abkühlen von einer Kristallwachstumstemperatur.
- 30. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Kristallwachstums der gewachsene III-N-Einkristall und das Saphir umfassende Fremdsubstrat durch Abschleifen, Absägen oder einen lift-off-Prozess voneinander getrennt werden.
- 31. Verfahren zur Herstellung von III-N-Kristallwafern, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems ausgesucht aus der Gruppe von Al, Ga und In bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Punkte 3
bis 30 zum Bilden eines III-N-Massivkristalls, und - b) Vereinzeln des Massivkristalls zum Bilden von Wafern.
- a) Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Punkte 3
- 32. Templat mit einem Saphir umfassenden Substrat und mindestens einer III-N-Kristallschicht, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei im Bereich über dem Fremdsubstrat oder in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht vorgesehen ist, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Wert εxx bei Raumtemperatur von εxx< 0 eingestellt ist.
- 33. Templat mit einem Saphir umfassenden Substrat und mindestens einer III-N-Kristallschicht, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei im Bereich über dem Fremdsubstrat oder in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht vorgesehen ist, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Wert εxx bei Wachstumstemperatur von εxx≤0 eingestellt ist, wobei εxx mit Hilfe einer Röntgenmessung der absoluten Gitterkonstante bestimmt ist, und wobei ein Abstand der Zwischenschicht des Maskenmaterials gegenüber dem Substrat bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht maximal 50 nm beträgt.
- 34. Templat gemäß Punkt 32 oder 33, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats der Wert εxx bei
Raumtemperatur im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003 und insbesondere im Bereich -0,0015> εxx ≥ -0,0025 und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 eingestellt ist. - 35. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 34, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats der Wert εxx bei Wachstumstemperatur
im Bereich von 0 > εxx > -0,0006, bevorzugt im Bereich von -0,0003 > εxx > -0,0006 liegt. - 36. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 35 in Form eines Templats mit einer Schichtdicke des III-N-Einkristalls
im Bereich von 0,1-10 µm, bevorzugt von 2-5 µm, gerechnet inklusive Zwischenschicht des Maskenmaterials. - 37. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx<-0,70 GPa aufweist.
- 38. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Fremdsubstrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird,
beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT)- (i) bei Wachstumstemperatur
im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt ist; und/oder - (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von -200 bis -400 km-1, bevorzugt im Bereich von -300 bis -400 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt ist,
- (i) bei Wachstumstemperatur
- 39. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass III = Ga bedeutet und der Kristall in Wachstumsrichtung eine Gitterkonstante
im Bereich von 0,31829 nm < a < 0,318926 nm aufweist. - 40. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Saphir umfassende Substrat entfernt ist.
- 41. Templat gemäß einem der Punkte 32 bis 40, hergestellt nach oder verwendet in einem der Verfahren gemäß
den Punkte 1 bis 31. - 42. Verwendung von nach Punkt 31 hergestellten III-N-Wafern, oder Verwendung eines Templats gemäß einem der Punkte 32 bis 41 zur Herstellung von dickeren III-N-Schichten oder III-N-Kristallboules bzw. -Massivkristallen, die optional danach in einzelne III-N-Wafer vereinzelt werden.
- 43. Verwendung von nach Punkt 31 hergestellten III-N-Wafern, oder Verwendung eines Templats gemäß einem der Punkte 32 bis 41, jeweils zur Herstellung von Halbleiterelementen, elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen.
- 44. Verwendung gemäß Punkt 43 zur Herstellung von Leistungsbauelementen, Hochfrequenzbauelementen, lichtemittierenden Dioden und Lasern.
- 45. Verwendung eines Maskenmaterials als Zwischenschicht in einem Templat, welches ein Saphir umfassendes Substrat und eine III-N-Kristallschicht aufweist, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, zum Steuern eines Krümmungswerts und/oder einer Verspannung des Templats, um nach Einstellung eines bestimmten Krümmungswerts und/oder einer bestimmten Verspannung mindestens eine weitere III-N-Kristallschicht auf dem Substrat aufzubringen, wobei ein Abstand der Zwischenschicht des Maskenmaterials gegenüber dem Substrat bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht vorliegt und maximal 50 nm beträgt.
- 46. Verwendung gemäß Punkt 45, wobei der bestimmte Krümmungswert und/oder die bestimmte Verspannung eine Rissbildung in einem anschließenden weiteren Wachstum einer zusätzlichen III-N-Schicht vermeidet.
- A process for producing a template comprising a substrate and at least one III-N crystal layer, wherein III means at least one element of the third main group of the periodic table selected from Al, Ga and In, said method comprising the steps of providing a substrate and
Growth of a crystalline III-N material on the substrate
wherein a mask material as an intermediate layer on the substrate, which optionally has a III-N nucleation layer, or in the crystalline III-N material at a distance from the substrate or the optionally provided III-N nucleation layer is deposited and then the growth of a takes place or continues, wherein the distance of the intermediate layer of the mask material from the substrate or the III-N nucleation layer optionally formed thereon is a maximum of 50 nm,
and wherein if, during crystal growth, the curvature of the growth surface of the III-N crystal is denoted by K a at a first, relatively earlier time and K e at a second, relatively later time, for a curvature difference (K a -K e ) ≥ 0 is taken care of.
The range K a -K e > 0 is preferred.
The substrate is formed as a foreign substrate, ie, a material which is different from the III-N material of the template, in particular the foreign substrate comprises sapphire or consists of sapphire.
The mask material is suitably defined as a material other than substrate material and III-N on which III-N growth is inhibited, disrupted or prevented. Examples of the mask material are described below.
The terms "relatively early" and "relatively late" means a first or second time during crystal growth, which may be the beginning and end of the total crystal growth of the III-N crystal layer, but also only a certain phase of the total crystal growth of III -N crystal layer can define and it does not matter in the last case, as the Curvature behavior before the first or after the second time is. For example, but not limited to, the relatively early first time is given by the time of application of the intermediate layer of mask material, and for example, the relatively late second time given by the end of the template fabrication stage is again, but not limited thereto be. Common to the possible variants of the respective times is in each case a favorable influence on (supply) voltage in the III-N crystal formed and / or on the bending behavior or state of the template at growth temperature and / or at room temperature, in each case in comparison to failure to observe mentioned relationship K a -K e . The term "interlayer" is to be understood in a broad sense, usually as a material layer comprising mask material, optionally in addition to mask material still further material such as the III-N material comprises or has material-free gaps. The thickness of the "intermediate layer" is variable, but is usually thin to very thin, suitably in the nanometer range (eg up to a maximum of 50 nm, preferably below 5 nm) or in the subnanometer range (eg to less than 1 nm, in particular to under a monolayer, ie 0.2 to 0.3 nm or less).
Depositing the mask material of the intermediate layer "on the substrate" means directly adjacent to a surface of the sapphire or the optional III-N nucleation layer over the sapphire (not according to the invention), and "at a distance from the substrate" means the distance of the position of the sapphire Mask material interlayer from this surface. - 2. The method according to
item 1, characterized in that the curvature difference (K a -K e ) is at least 5 km -1 , preferably at least 10 km -1 , more preferably at least 20 km -1 and in particular at least 50 km -1 . - 3. Method according to
1 or 2, wherein the template is further used for applying one or more further III-N crystal layer (s), optionally for producing a III-N solid crystal.item
Because the prepared template is favorably influenced according to the invention by considering the curvature difference K a -K e , the further curvature preservation of the growth surface of the III-N crystal during an optionally subsequent application or growth of further semiconductor material is not fixed. - 4. A process for the preparation of III-N single crystal, wherein III means at least one element of the third main group of the periodic table, selected from Al, Ga and In, the process comprising the following steps:
- aa) providing a template comprising a sapphire-containing foreign substrate and a III-N crystal layer, wherein the template is not or substantially not curved in the region of a growth temperature or is negatively curved, wherein in the template provided in the Over the foreign substrate or in the III-N crystal layer of the template, a mask material is deposited as an intermediate layer so that a distance of the intermediate layer of the mask material to the substrate or the optionally formed thereon III-N nucleation layer is a maximum of 50 nm;
- bb) performing an epitaxial crystal growth to form further III-N crystal on the template according to aa), optionally for producing III-N solid crystal,
- cc) optionally separating III-N single crystal or III-N solid crystal and foreign substrate. According to the invention, it is preferred that the desired favorable non-curvature or (compressive or convex) negative curvature of the template when it is heated in the initial state, ie before the further growth according to step bb), by targeted positioning of an intermediate layer of the mask material in a defined and limited altitude on / above the foreign substrate. For this purpose and to express "intermediate layer" s. the
1 and 2.above points
The term "growth temperature" refers to a temperature at which deposition, in particular epitaxial growth, of a desired III-N crystal is enabled. - 5. Method according to one of the preceding points, characterized in that if, for the template as a foreign substrate, sapphire of a thickness (d sapphire ) of approximately 430μm (ie ± 20μm) and as a III-N crystal layer of GaN of a thickness (d GaN ) of about 7 μm (ie ± 0.5 μm) is used or set,
for the III-N crystal, a curvature of the template (K T ) at the growth surface- (i) is set at growth temperature in the range of 0 to -150 km -1 , preferably in the range of -25 to -75 km -1 , and / or
- (ii) is set at room temperature in the range of <-200 km -1 , preferably -200 to -400 km -1 , more preferably in the range of -300 to -350 km -1 ;
- 6. The method according to any one of the preceding points, characterized in that the III-N single crystal of the template at room temperature has a radius of curvature in the range of -2 to -6 m.
- 7. The method according to any one of the preceding points, characterized in that in the crystalline III-N material, a compressive strain is generated.
The compressive stress is generated primarily by the fact that the intermediate layer of the mask material is deposited without distance or at a specifically defined distance from the sapphire substrate or the nucleation layer. - 8. The method according to any one of the preceding points, characterized in that the III-N single crystal of the template at room temperature has a compressive stress of σ xx <-0.70 GPa.
- 9. The method according to one of the preceding points, characterized in that the intermediate layer of the mask material is deposited on a III-N nucleation layer on the foreign substrate and then the growth of the III-N crystal is carried out. In this embodiment, it is preferable that the intermediate layer of the mask material is deposited directly and immediately on the III-N nucleation layer of the foreign substrate even before the coalescence is completed and thereafter the actual growth of the III-N single crystal of the template.
- 10. The method according to one of the preceding points, characterized in that the mask material in the preparation of the template on the foreign substrate or within the III-N layer of the template is deposited in situ in the same reactor and / or immediately after deposition of the mask material with the III-N growth process continues.
- 11. The method according to any one of the preceding points, characterized in that the mask material is uniformly distributed in the template in a plane, but preferably is discontinuous deposited.
Although according to these possible embodiments, the mask material in the template is substantially in one plane, the shape of the deposit may be different. The layer of masking material may form a closed layer, but alternatively and preferably it has discontinuities and is discontinuously distributed in a layer; it can be present in particular in the form of network structures and / or in the form of nanoplates or islands of the mask material (nano-mask with mask material), wherein the subsequent growth of the III-N layer can follow from microscopic or nanodimensioned gaps in the discontinuous mask layer , The thickness of the layer of the mask material is variable. The various possible forms of deposition are in each case a favorable influence on (supply) voltage in the III-N crystal formed and / or on the curvature behavior or state of the template at growth temperature and / or at room temperature. Desired shapes are suitably adjustable by suitable parameters, for example by flow rates of the corresponding ones Starting materials, by reactor pressure, by deposition temperature, or by the duration of deposition of the mask material. - 12. The method according to one of the preceding points, characterized in that no second SiN x mask is deposited at a distance of 1.5 .mu.m, or that no second SiN x mask is deposited at all.
- 13. Method according to one of the preceding points, characterized in that only a single layer of the mask material is deposited in the template.
- 14. The method according to one of the preceding points, characterized in that the mask material is a material on which a III-N deposition is inhibited or prevented.
- 15. A method according to the preceding item, wherein the masking material is selected from the group consisting of Si x N y (wherein x and y are each independently positive numbers which result in stoichiometric or unstoichiometric SiN compounds, in particular Si 3 N 4 ), TiN, Al x O y (wherein x and y are each independently positive numbers which result in stoichiometric or unstoichiometric Al 2 O 3 compounds, particularly Al 2 O 3 ), Si x O y (where x and y are each independently positive Mean numbers which lead to stoichiometric or unstoichiometric SiO 2 compounds, in particular SiO 2 ), WSi, and WSiN. When depositing the mask material, the mask material is preferably deposited directly in the reactor in situ from corresponding reactive species of the respective elements from the gas phase, and preferably immediately after the deposition of the actual III-N crystal of the template is started or continued.
- 16. The method according to one of the preceding points, characterized in that the foreign substrate consists of sapphire.
- 17. The method according to any one of the preceding points, characterized in that the curvature of the III-N crystal of the template is additionally changed in at least one growth phase by varying the growth temperature.
- 18. The method according to any one of the preceding points, characterized in that in at least one deposition phase of the III-N crystal of the template, the growth takes place at a reduced compared to a previous III-N deposition growth temperature.
- 19. The method according to item 18, characterized in that the temperature reduction is at least 10 ° C, preferably at least 20 ° C, preferably in the range of 20-50 ° C, more preferably in the range of 25-40 ° C and particularly preferably at 30 ° C is.
- 20. Method according to one of the preceding points, characterized in that the substrate provided has a polished surface.
- 21. Method according to one of the preceding points, characterized in that the provided substrate has a surface structured by lithography or wet-chemical etching or dry-chemical etching (eg ICP).
- 22. Method according to one of the preceding points, characterized in that on the template or on the III-N crystal epitaxially grown thereon at least one and optionally further GaN, AlN, AlGaN, InN, InGaN, AlInN or AlInGaN layer (s) is applied to produce correspondingly further III-N layers or III-N crystals.
- 23. Method according to one of the preceding points, characterized in that the III-N crystal layer of the template and the epitaxially grown III-N crystal consist of the same III-N material.
- 24. The method according to any one of the preceding points, characterized in that the III-N crystal layer on the foreign substrate and the epitaxially grown there on III-N crystal each form a binary system.
- 25. Method according to one of the preceding points, wherein, after deposition of the intermediate layer of the mask material in situ, additional crystal growth takes place to form III-N crystal with a total thickness in the range of 0.1-10 μm, preferably with a thickness in the range of 3 to 10 .mu.m, whereby a template is obtained, whereby the total thickness of the III-N layer of the template including the intermediate layer of the mask material is calculated.
- 26. Method according to one of the preceding points, characterized in that MOVPE is used as a growth method.
- 27. Method according to one of the preceding points, characterized in that III-N monocrystals are grown on the template with layer thicknesses of at least 1 mm, preferably of at least 5 mm, more preferably of at least 7 mm and most preferably of at least 1 cm ,
- 28. The method according to one of the preceding points, characterized in that the crystal growth is carried out at least in the step after completion of the template formation, optionally from the beginning and in all crystal growth steps, by means of HVPE.
- 29. A method for producing III-N single crystal according to any one of the preceding points, characterized in that after completion of the crystal growth, the grown III-N single crystal and the sapphire-containing foreign substrate are separated from each other by self-peeling, preferably, upon cooling from a crystal growth temperature.
- 30. A method for producing III-N single crystal according to any one of the preceding points, characterized in that after completion of the crystal growth of the grown III-N single crystal and the sapphire-comprising foreign substrate are separated by abrasion, sawing or a lift-off process.
- 31. A process for the preparation of III-N crystal wafers, wherein III means at least one element of the third main group of the periodic table selected from the group of Al, Ga and In, the process comprising the following steps:
- a) performing a method according to any one of
items 3 to 30 to form a III-N solid crystal, and - b) singulating the solid crystal to form wafers.
- a) performing a method according to any one of
- 32. A template comprising a sapphire substrate and at least one III-N crystal layer, wherein III at least one element of the third main group of the periodic table, selected from the group of Al, Ga and In, means in the area above the foreign substrate or in the III-N crystal layer of the template, a mask material is provided as an intermediate layer, wherein in the III-N crystal layer of the template a value ε xx at room temperature of ε xx <0 is set.
- 33. A template comprising a sapphire-comprising substrate and at least one III-N crystal layer, III being at least one element of the third main group of the periodic table, selected from the group of Al, Ga and In, where in the region above the foreign substrate or in the III-N crystal layer of the template, a mask material is provided as an intermediate layer, wherein in the III-N crystal layer of the template, a value ε xx is set at growth temperature of ε xx ≤0, where ε xx is determined by means of an X-ray measurement of the absolute lattice constant , and wherein a distance of the intermediate layer of the mask material relative to the substrate or the optionally formed thereon III-N nucleation layer is a maximum of 50 nm.
- 34. template according to item 32 or 33, wherein in the III-N crystal layer of the template the value ε xx at room temperature in the
range 0> ε xx ≥ -0.003 and in particular in the range -0.0015> ε xx ≥ -0.0025 and in particular in the range -0.0020 ≥ ε xx ≥ -0.0025. - 35. Template according to one of the items 32 to 34, wherein in the III-N crystal layer of the template the value ε xx at a growth temperature in the range of 0> ε xx > -0.0006, preferably in the range of -0.0003> ε xx > -0.0006.
- 36. Template according to one of the points 32 to 35 in the form of a template with a layer thickness of the III-N single crystal in the range of 0.1-10 μm, preferably 2-5 μm, including the intermediate layer of the mask material.
- 37. Template according to one of the points 32 to 36, characterized in that the III-N single crystal at room temperature has a compressive stress of σ xx <-0.70 GPa.
- 38. Template according to one of the points 32 to 37, characterized in that when for the template as a foreign substrate sapphire of a thickness (d sapphire ) of about 430μm (ie ± 20μm) and as a III-N crystal layer of GaN a thickness (d GaN ) of approximately 7μm (ie ± 0.5μm) is used or adjusted,
for the III-N crystal, a curvature of the template (K T )- (i) is set at growth temperature in the range of 0 to 150 km -1 , preferably in the range of -25 to -75 km -1 ; and or
- (ii) is set at room temperature in the range of -200 to -400 km -1 , preferably in the range of -300 to -400 km -1 , more preferably in the range of -300 to -350 km -1 ,
- 39. Template according to one of the points 32 to 38, characterized in that III = Ga means and the crystal in the growth direction has a lattice constant in the range of 0.31829 nm <a <0.318926 nm.
- 40. Template according to one of the points 32 to 39, characterized in that the substrate comprising sapphire is removed.
- 41. Template according to any one of items 32 to 40, prepared according to or used in one of the methods according to
items 1 to 31. - 42. Use of III-N wafers prepared according to item 31, or use of a template according to any one of items 32 to 41 for the preparation of thicker III-N layers or III-N crystal boules, optionally thereafter into individual Separate III-N wafers.
- 43. Use of III-N wafers prepared according to item 31, or use of a template according to any one of items 32 to 41, in each case for the production of semiconductor elements, electronic or optoelectronic components.
- 44. Use according to item 43 for the manufacture of power devices, high frequency devices, light emitting diodes and lasers.
- 45. Use of a masking material as an intermediate layer in a template comprising a sapphire substrate and a III-N crystal layer, wherein III means at least one element of the third main group of the periodic table selected from the group of Al, Ga and In, for Controlling a curvature value and / or a strain of the template to apply after setting a certain curvature value and / or a certain strain at least one further III-N crystal layer on the substrate, wherein a distance of the intermediate layer of the Mask material opposite to the substrate or the optionally formed thereon III-N nucleation layer is present and a maximum of 50 nm.
- 46. Use according to item 45, wherein the determined curvature value and / or the particular strain avoids cracking in subsequent further growth of an additional III-N layer.
Die in der Anmeldung genannten Temperaturen beziehen sich, soweit nichts anderes gesagt ist, auf die an Heizeinrichtungen entsprechend eingestellten Temperaturen, d.h. nominal eingestellten Temperaturen für jeweilige Schritte (Prozesstemperatur). Die Temperaturen am Templat/Wafer liegen typischerweise etwas tiefer, was je nach Reaktortyp verschieden sein kann; z.B. bis 75K tiefer. So liegen beim in den Beispielen verwendeten Reaktortyp die Temperaturen am Templat/Wafer (gemessen mit einem in-situ Messgerät EpiTT der Firma Laytec, Berlin, Deutschland) etwa 30-50K unter Prozesstemperatur.The temperatures stated in the application, unless stated otherwise, refer to the temperatures set corresponding to heaters, i. nominally set temperatures for respective steps (process temperature). The temperatures at the template / wafer are typically slightly lower, which may vary depending on the type of reactor; e.g. down to 75K. Thus, in the reactor type used in the examples, the temperatures at the template / wafer (measured with an in-situ measuring instrument EpiTT from Laytec, Berlin, Germany) are about 30-50K below the process temperature.
- Fig. 1A und 1BFig. 1A and 1B
- zeigen schematisch Stufen des Aufwachsprozesses zum Bilden von III-N-Templaten mit Saphirsubstrat, und mit jeweils unterschiedlichen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung;schematically show steps of the growth process for forming III-N templates with sapphire substrate, and each with different embodiments according to the present invention;
- Fig. 2Fig. 2
- veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe beim beispielhaften Wachstum von GaN auf Saphir (Abstand 15 nm);illustrates temporal temperature, reflection and curvature patterns in the exemplary growth of GaN on sapphire (distance 15 nm);
- Fig. 3Fig. 3
- veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe bei Wachstum von GaN auf Saphir (Abstand 300 nm);illustrates temporal temperature, reflection and curvature curves with growth of GaN on sapphire (distance 300 nm);
- Fig. 4Fig. 4
- zeigt die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche gemäß einem anderen Prinzip, bei dem optional eine Abscheidung einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial kombiniert wird mit einer Veränderung der III-N-Wachstumstemperatur während des Wachstums der III-N-Schicht des Templats;Figure 12 shows the change in the curvature of the growth surface according to another principle, optionally combining deposition of an intermediate layer with mask material with a change in III-N growth temperature during growth of the III-N layer of the template;
- Fig. 5A und 5BFigs. 5A and 5B
- zeigen die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche hauptsächlich in Abhängigkeit von Vorsehen und Lage/Positionierung einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial gemäß unterschiedlichen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,show the change of the curvature of the growth surface mainly depending on the provision and location / positioning of an intermediate layer with mask material according to various possible embodiments of the present invention,
- Fig. 5CFig. 5C
-
zeigt die Ergebnisse bezüglich Krümmung der Wachstumsoberfläche, wenn die gemäß
Fig. 5A und5B definierten Template einem weiteren III-N (GaN)-Schichtwachstum zur Herstellung dickerer Schichten unterzogen werden, undshows the results regarding curvature of the growth surface when the according toFig. 5A and5B are subjected to further III-N (GaN) layer growth to produce thicker layers, and - Fig. 6Fig. 6
- veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe bei herkömmlichem Wachstum von GaN auf Saphir.illustrates temporal temperature, reflection and curvature trajectories in conventional growth of GaN on sapphire.
Ohne die vorliegende Erfindung damit einzuschränken, soll die nachfolgend detaillierte Beschreibung der Figuren, Gegenstände, Weiterbildungen und besondere Merkmale die Erfindung anschaulich darstellen und besondere Ausführungsformen detaillierter beschreiben.Without limiting the present invention, the following detailed description of the figures, objects, further developments and special features is intended to illustrate the invention and to describe specific embodiments in more detail.
Im Verfahren zur Herstellung von III-N-Startsubstraten wurde überraschenderweise gefunden, dass die Template wesentlich durch passende Positionierung einer Zwischenschicht von Maskenmaterial in Bezug auf die relevanten Parameter Krümmung der Wachstumsoberfläche am Templat und/oder geeignete Verspannung im Templat derart günstig beeinflusst werden können, dass das nachfolgende Wachstum von III-N-Einkristallen mit herausragenden Eigenschaften ermöglicht wird und insbesondere die nachfolgende Neigung zu Rissbildung in auf dem Templat wachsenden III-N-Einkristallen signifikant reduziert wird.In the process for preparing III-N seed substrates, it has surprisingly been found that the template can be significantly influenced by suitable positioning of an intermediate layer of mask material with respect to the relevant parameter growth surface curvature on the template and / or appropriate strain in the template such that the subsequent growth of III-N single crystals with outstanding properties is made possible, and in particular the subsequent tendency to crack formation in growing on the template III-N single crystals is significantly reduced.
Für die Herstellung des Templats wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, welches ausgewählt wird aus Saphir umfassenden bzw. aus Saphir bestehenden Startsubstraten sowie solchen Ausgangssubstraten mit darauf gebildeten Strukturen, zum Beispiel bestimmter extern (ex situ) gebildeter Maskenstrukturen. Eine weitere Möglichkeit der Bereitstellung eines geeigneten Startsubstrats kann die Bildung von Zwischenschichten oder Zwischenstrukturen zum Zweck einer Unterstützung der späteren Ablösung vom Ausgangssubstrat, und/oder die Bildung eines sogenannten GaN-"Nanorasens" einschließen, bei dem man von einem Substrat mit darauf gebildeter GaN-Komplianzschicht mit Nanosäulenstruktur ausgeht, wie beispielsweise in
Eine gegebenenfalls ex situ durchgeführte Musterung wie z.B. das Öffnen von Fenstern und anderer Maskenstrukturen gehört somit allenfalls zum Schritt der Bereitstellung des Startsubstrats, jedoch nicht zum eigentlichen Schritt des Einbringens der Masken-Zwischenschicht, wie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.For the preparation of the template, a substrate is initially provided, which is selected from sapphire-containing or sapphire starting substrates and such starting substrates with structures formed thereon, for example, certain external ( ex situ ) formed mask structures. A further possibility of providing a suitable starting substrate may include the formation of intermediate layers or intermediate structures for the purpose of assisting the subsequent detachment from the starting substrate, and / or the formation of a so-called GaN nanorase, in which a substrate having a GaN substrate formed thereon is used. Complianz layer starting with nano-column structure, such as in
An optionally performed ex situ patterning such as the opening of windows and other mask structures thus belongs at best to the step of providing the starting substrate, but not to the actual step of introducing the mask intermediate layer, as described below in connection with the inventive method.
Für die Bereitstellung eines Startsubstrats wird ein Fremdsubstrat mit Saphir verwendet, bevorzugt besteht es aus Saphir. Weiter bevorzugt wird ein Saphirsubstrat mit c-Orientierung verwendet mit einer Verkippung nach (1-100) oder (11-20) um 0,1-0,5° und einseitiger epi-ready-Politur und polierter und/oder vorzugsweise geläppter Rückseite. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Startsubstrat eine durch Lithographie oder durch nasschemische oder trockenchemische Ätzverfahren (z.B. ICP-Ätzen) strukturierte Oberfläche aufweist.For the provision of a starting substrate, a foreign substrate with sapphire is used, preferably it is sapphire. More preferably, a c-orientation sapphire substrate is used with a tilt of (1-100) or (11-20) around 0.1-0.5 ° and single-sided epi-ready polish and polished and / or preferably lapped back. A further embodiment provides that the starting substrate has a surface structured by lithography or by wet-chemical or dry chemical etching (eg ICP etching).
Beispielhafte, nicht einschränkende, jedoch jeweils variierte Ausführungsformen werden nun anhand der schematischen
In den
In the
Das Bereitstellen und Vorbehandeln eines Substrates im Verfahren zur Herstellung eines Templates der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise ferner einen Nukleationsschritt umfassen, bei dem kristallines III-N-Material, speziell winzige III-N-Kristallite auf das Startsubstrat aufgewachsen werden. Dieser Schritt ist schematisch im insoweit gleichen Schritt (2) der
Eine AlN-Nukleation findet typischerweise bei Temperaturen von 850 bis 1050 °C, vorzugsweise von 900 bis 1000 °C und mehr bevorzugt von 950 bis 960 °C statt.
Beim Niedertemperatur-Nukleationsschritt, gegebenenfalls auch beim anschließenden Aufheizen auf Wachstumstemperatur, kann optional eine Rekristallisation erfolgen.Provision and pretreatment of a substrate in the method of making a template of the present invention may preferably further comprise a nucleation step of growing crystalline III-N material, especially minute III-N crystallites, onto the starting substrate. This step is schematically in so far same step (2) of
AlN nucleation typically occurs at temperatures of 850 to 1050 ° C, preferably 900 to 1000 ° C, and more preferably 950 to 960 ° C.
In the case of the low-temperature nucleation step, if appropriate also during the subsequent heating to growth temperature, an optional recrystallization can take place.
Nach dem Bereitstellen eines Substrates, ggf. mit den oben beschriebenen optionalen Maßnahmen, können die weiteren Schritte der jeweiligen erfindungsgemäßen Ausführungsformen variieren, was Zeitpunkt und Position/Lage der Schicht des Maskenmaterials und die daraus resultierenden Konsequenzen anbelangt, wie jeweils getrennt in
Bei der in
At the in
Die Abscheidung der bezeichneten Zwischenschicht 102A bzw. 102B geschieht zweckmäßig und vorteilhaft in situ im gleichen Reaktor mit einem Prozess, der mit der Technik zum Wachstum der III-N-Schicht kompatibel ist. Dazu werden passende Ausgangsmaterialien oder reaktive Folgeprodukte oder -Spezies des Maskenmaterials im Reaktor bei geeigneter Temperatur und weiteren Parametern, die zur Abscheidung von Maskenmaterial geeignet sind, miteinander zur Reaktion gebracht. Am einfachsten erfolgt eine Abscheidung von Nitrid-Maskenmaterial wie Siliziumnitrid, weil dessen Abscheidung gut mit III-N-Abscheidungstechniken kompatibel ist. Häufig können für diese Abscheidung gleiche oder ähnliche, oder mindestens kompatible Bedingungen hinsichtlich Reaktordruck und -temperatur gewählt werden wie bei der III-N-Abscheidung und im übrigen lediglich geeignete Gaszusammensetzungen und Gasströmungsraten angepasst werden, so dass diese Prozessmodifikation leicht zu handhaben ist. So wird zum Beispiel ein Silangas und Ammoniak in den Reaktor eingeströmt und bei geeignetem Druck und geeigneter Temperatur von z.B. 800 °C bis 1200°C, vorzugsweise etwa 1050 bis 1150°C miteinander zur Reaktion und in Form von Si3N4 und ggf. weiterer stöchiometrischer oder über- oder unterstöchiometrischer SixNy-Zusammensetzungen auf dem vorbereiteten Substrat (100A; 101A) abgeschieden. Der Schritt der Abscheidung anderer Maskenmaterialien als SiN, wie z.B. TiN, Al2O3, SiO2, WSi, und WSiN, kann ohne weiteres und entsprechend angepasst werden.The deposition of the designated
Auf der Nukleationsschicht (vgl.
Die Dicke der "Zwischenschicht" 102A bzw. 102B, welche jeweils Maskenmaterial umfasst, ist sehr gering, was durch entsprechende Gasströmungsraten und geringe Prozesszeiten eingestellt werden kann; sie liegt geeigneterweise im Nanometer- oder im Subnanometer-Bereich, zum Beispiel unter 5 nm, mehr bevorzugt unter 1 nm, insbesondere bis unter einer Monolage (d.h. 0,2 bis 0,3 nm oder weniger).
Der Abstand der Zwischenschicht 102A bzw. 102B, vom Substrat ist gering, er liegt im Bereich bis maximal 50 nm.On the nucleation layer (cf.
The thickness of the "intermediate layer" 102A or 102B, which respectively comprises mask material, is very small, which can be adjusted by appropriate gas flow rates and short process times; it is suitably in the nanometer or sub-nanometer range, for example below 5 nm, more preferably below 1 nm, in particular below one monolayer (ie 0.2 to 0.3 nm or less).
The distance of the
Nach Abscheidung der Zwischenschicht mit Maskenmaterial erfolgt unmittelbar darauf das (fortgesetzte) Wachstum einer III-N-Schicht 104A, 104B (Stufe (4) in
Wird das angestrebte Krümmungsverhalten nicht oder nicht allein durch Position/Lage der Zwischenschicht mit Maskenmaterial in passendem Abstand gegenüber der Oberfläche des Fremdsubstrats bzw. der Nukleationsschicht erreicht, kann dieses Verhalten durch zusätzliches und gezieltes Einstellen anderer Prozessparameter zu dem Zweck gesteuert werden, dass ein ergänzender Beitrag zu der Beziehung Ka-Ke ≥ 0 geliefert wird, oder dass das Templat bei Wachstumstemperatur im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist. Ein zu diesem Zweck besonders geeigneter, neuer weiterer Prozessparameter besteht in einer Anpassung und ggf. einem Variieren der III-N-Wachstumstemperatur. Für den Fall der Verwendung von Saphir als Fremdsubstrat, welcher einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall, erfolgt das Wachstum/die Abscheidung bei einer gegenüber vorherigem Wachstum abgesenkten Wachstumstemperatur. Diese Temperaturveränderung wird am effektivsten während einer begrenzten, vorzugsweise relativ frühen Phase des Wachstums der III-N-Schicht des Templats durchgeführt und das Wachstum wird bei dieser verringerten Temperatur fortgesetzt. Eine substanzielle Krümmungsreduzierung mit Ka-Ke > 0 wird zum Beispiel ergänzend dadurch erreicht, dass in mindestens einer Wachstumsphase des III-N-Kristalls des Templats bei einer gegenüber vorherigem Wachstum um mindestens 10 °C abgesenkten Wachstumstemperatur erfolgt. Die Absenkung der Wachstumstemperatur beträgt vorzugsweise mindestens 20 °C und liegt weiter bevorzugt im Bereich von 20-50 °C und insbesondere im Bereich von 25-40 °C.If the desired curvature behavior is not achieved or not achieved solely by the position / position of the intermediate layer with mask material at a suitable distance from the surface of the foreign substrate or the nucleation layer, this behavior can be controlled by additionally and specifically setting other process parameters for the purpose of making a supplementary contribution to the relationship K a -K e ≥ 0, or that the template is substantially non-curved or negatively curved at growth temperature. A particularly suitable new process parameter for this purpose is an adaptation and possibly a variation of the III-N growth temperature. In the case of using sapphire as a foreign substrate which has a higher coefficient of thermal expansion than the III-N crystal to be grown, the growth / deposition occurs at a growth temperature lowered from previous growth. This temperature change is most effectively carried out during a limited, preferably relatively early, phase of growth of the III-N layer of the template, and growth is continued at this reduced temperature. Substantial curvature reduction with K a -K e > 0 is additionally achieved, for example, by the growth temperature being lowered by at least 10 ° C. in at least one growth phase of the III-N crystal of the template. The lowering of the growth temperature is preferably at least 20 ° C and more preferably in the range of 20-50 ° C and especially in the range of 25-40 ° C.
Im Falle von GaN liegt eine übliche Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 900 °C bis 1200°C, vorzugsweise etwa 1020 bis 1150°C, weiter bevorzugt um ca. 1.100°C ± 20°C,. Im Falle von AlGaN mit einem Al-Anteil von 30% bis zu 90 % liegt eine übliche Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 1.070-1.250°C, bevorzugt bei 1.090-1.270°C, und weiter bevorzugt bei 1.170°C. Temperaturen für das Abscheiden anderer III-N-Materialien werden auf der Basis allgemeinen Wissens entsprechend angepasst.
Falls ggf. angewandt und optional erwünscht, kann wie in der oben bezeichneten speziellen Ausführungsform beschrieben das System zunächst auf eine entsprechend vorgewählte (erste) Temperatur gebracht werden, wobei bei dieser ersten Temperatur ggf. nur eine Rekristallisation stattfindet, und diese erste Temperatur dann variiert wird, jedoch nur so weit auf eine veränderte (zweite) Temperatur, bei der weiterhin Kristallwachstum und vorzugsweise epitaxiales Kristallwachstum stattfinden kann, um schließlich das Krümmungsverhalten wahlweise zusätzlich zu beeinflussen. Wenn optional angewandt, geschieht dies vorzugsweise bei Beginn oder während der Koaleszenz der wachsenden III-N-Kristallite oder in der frühen Phase der wachsenden III-N-Schicht des Templats. Wegen der Wahl von Saphir als Fremdsubstrats erfolgt eine Absenkung der Wachstumstemperatur. Beim Fortsetzen des (vorzugsweise epitaxialen) Kristallwachstums im Bereich der entsprechend variierten zweiten Wachstumstemperatur - d.h. unterhalb der jeweils ersten Temperatur - nimmt dann jeweils die Krümmung der Wachstumsoberfläche weiter kontinuierlich oder intermittierend ab. Sobald eine ausreichende ergänzende Krümmungsabnahme über diesen optionalen Schritt der Temperaturvariation erreicht ist, kann die Temperatur für das weitere Wachstum der III-N-Schicht wieder frei gewählt werden, z.B. im Bereich der üblichen vorgenannten Wachstumstemperaturen, wie etwa für GaN und AlGaN.In the case of GaN, a common growth temperature is, for example, in the range of 900 ° C to 1200 ° C, preferably about 1020 to 1150 ° C, more preferably about 1100 ° C ± 20 ° C ,. For example, in the case of AlGaN having an Al content of 30% to 90%, a usual growth temperature is in the range of 1070-1,250 ° C, preferably 1,090-1,270 ° C, and more preferably 1,170 ° C. Temperatures for the deposition of other III-N materials are adjusted based on general knowledge.
If applicable and optionally desired, as described in the above-referenced specific embodiment, the system may first be brought to a correspondingly preselected (first) temperature, at which first temperature possibly only recrystallization takes place and this first temperature is then varied but only so far to a changed (second) temperature at which crystal growth, and preferably epitaxial crystal growth, can continue to take place in order to optionally additionally influence the curvature behavior. If optionally employed, this is preferably done at the onset or coalescence of the growing III-N crystallites or in the early phase of the growing III-N layer of the template. Due to the choice of sapphire as a foreign substrate, the growth temperature is lowered. When the (preferably epitaxial) crystal growth continues in the region of the correspondingly varied second growth temperature-ie below the respective first temperature-the curvature of the growth surface then decreases continuously or intermittently. As soon as a sufficient complementary decrease in curvature is achieved via this optional step of temperature variation, the temperature for the further growth of the III-N layer can be freely selected again, for example in the range of the usual growth temperatures mentioned above, such as for GaN and AlGaN.
Die III-Komponente, ausgehend von vorangehenden Schritten - etwa bei der Bildung der anfänglichen III-N-Kristallite bzw. der Nukleationsschicht auf dem Substrat wie oben beschrieben - kann beim Wechsel zum Schritt des Wachstums der eigentlichen epitaxialen III-N-Schicht gleich bleiben, oder sie kann alternativ variiert werden. Zum Beispiel kann die Nukleationsschicht (vgl. 102A bzw. 102B in
Wieder auf die hier konkret beschriebenen Ausführungsformen gemäß
Bezeichnet man den Krümmungswert zu Beginn des Kristallwachstums der III-N-Schicht oder direkt im Anschluss an die Abscheidung der Zwischenschicht des Maskenmaterials (wie z.B. in
Durch Erkennung und aktive Beeinflussung dieses Verhaltens und der damit verbundenen Zusammenhänge ist es durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung möglich, ein eine erste III-N-Schicht umfassendes Templat herzustellen, das bei epitaxialer Wachstumstemperatur nicht gekrümmt ist, jedenfalls im wesentlichen nicht gekrümmt ist (wie zum Beispiel in
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden alle oben in der ersten Ausführungsform beschriebenen Kristallwachstumsschritte, einschließlich des gegebenenfalls durchgeführten Nukleationsschritts, über metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) durchgeführt. Alternativ oder in Kombination können die zuvor beschriebenen Kristallwachstumsschritte jedoch auch über HVPE durchgeführt werden.In a preferred embodiment of the present invention, all of the crystal growth steps described above in the first embodiment, including the optional nucleation step, are carried out via metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Alternatively or in combination, however, the crystal growth steps described above can also be carried out via HVPE.
Wenn Schichtdicken von geeigneterweise mindestens 0,1 µm, zum Beispiel im Bereich von 0,1-10 µm, bevorzugt von 2-7,5 µm der wie oben beschrieben gefertigten III-N-Schicht auf dem Substrat aufgetragen werden, wird erfindungsgemäß ein Templat bereitgestellt, welches sich hervorragend als Ausgangstemplat zur Weiterverwendung oder -verarbeitung zum epitaxialen Wachstum weiterer Schichten und insbesondere von weiteren III-N-Schichten eignet und dann dem Problem der Neigung zu Rissbildungen begegnet werden kann, vor allem wenn anschließend deutlich dickere III-N-Schichten wie III-N-Massivkristalle (Ingots, Boules) gewachsen oder abgeschieden werden. Geeignete Techniken zum Wachstum oder Abscheiden dickerer III-N-Schichten wie III-N-Massivkristalle können zum Beispiel ausgewählt werden aus Gasphasenepitaxie (Vapor Phase Epitaxy, VPE) - darunter insbesondere die Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE), Ammonothermalverfahren, Sublimation und dergleichen.When layer thicknesses of suitably at least 0.1 μm, for example in the range of 0.1-10 μm, preferably of 2-7.5 μm, of the III-N layer fabricated as described above are applied to the substrate, a template becomes according to the invention which is excellent as an initial template for reuse or processing for epitaxial growth of others Layers and in particular of other III-N layers is suitable and then the problem of tendency to cracking can be met, especially if subsequently grown much thicker III-N layers such as III-N solid crystals (ingots, boules) or deposited. Suitable techniques for growth or deposition of thicker III-N layers as III-N bulk crystals can be selected, for example, vapor phase epitaxy (vapor phase epitaxy VPE) - including, in particular, the hydride vapor phase epitaxy (HVPE), Ammonothermalverfahren, sublimation and the like.
Einen beispielhaften Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform veranschaulicht
Darin sind folgende Parameter im zeitlichen Verlauf aufgetragen: die Veränderung der wachsenden Oberfläche (erkennbar am Verlauf der abnehmenden Amplitude der Reflektivität, in willkürlichen Einheiten a.u. im unteren Teil der Abbildung) sowie der Temperatur (Ordinate links, obere Linie entsprechend Prozesstemperatur, untere Linie entsprechend Wafertemperatur) und die Veränderung der Krümmung (Ordinate rechts) der Wachstumsoberfläche . Die Messung der Krümmung der Wachstumsoberfläche erfolgt in-situ, durchführbar mit einer EpicurveTT-Krümmungsmessanlage der Firma LayTec (Berlin, Deutschland), die es erlaubt gleichzeitig Daten zur Temperatur, Reflexion und Krümmung der Wachstumsoberfläche zu erhalten.
Einzelne Verfahrensstufen bzw. Abschnitte sind in
The following parameters are plotted over time: the change in the growing surface (indicated by the decreasing amplitude of the reflectivity, in arbitrary units au in the lower part of the figure) and the temperature (ordinate left, upper line corresponding to process temperature, lower line corresponding to wafer temperature ) and the change in curvature (ordinate right) of the growth surface. The measurement of the curvature of the growth surface takes place in-situ, feasible with an EpicurveTT curvature measuring system of the company LayTec (Berlin, Germany), which makes it possible to simultaneously obtain data on the temperature, reflection and curvature of the growth surface.
Individual process steps or sections are in
In
Alternativ zu einer Temperaturabsenkung zum fortgesetzten Wachstum der III-N-Schicht des Templats können weitere Prozessparameter angewandt werden, um für die Einhaltung der Beziehung KA-KE > 0 zu sorgen.As an alternative to lowering the temperature for continued growth of the III-N layer of the template, additional process parameters can be used to ensure compliance with the relationship K A -K E > 0.
Weitere Möglichkeiten und verschiedene Ausführungsformen zur Steuerung von Krümmung und/oder von Verspannung in der III-N-Schicht des Templats, um auf dieser Basis mindestens eine weitere III-N-Schicht und ggf. einen dicken Massivkristall mit verringerter Neigung zur Rissbildung auf dem Templat aufzubringen, sind aus
Die Ergebnisse zeigen einen konsistenten Trend, dass der Krümmungsverlauf signifikant dadurch beeinflusst wird, wie der Abstand einer einzigen Zwischenschicht von Maskenmaterial gegenüber Saphir-Ausgangssubstrat bzw. einer optionalen Nukleationsschicht darauf eingestellt ist. Es ist ersichtlich, dass bei der verwendeten experimentellen Konstellation im hier verwendeten System Saphir/GaN die Bedingung Ka-Ke>0 für die Fälle ohne Abstand (d.h. Linie "0nm") und für die Fälle von Abständen "15nm" und "30nm" sicher erfüllt ist und offensichtlich noch für Abstände bis etwa 50nm. Bei größeren Abständen von über 50nm, d.h. wie gezeigt bei 60 nm, 90 nm und 300 nm, ist diese Bedingung primär nicht erfüllt, aber überraschenderweise ist der Anstieg der Krümmung vergleichsweise stark gedämpft mit der Folge, dass ein solcher Anstieg kleiner gehalten werden kann als in Fällen, in denen keine Zwischenschicht von Maskenmaterial aufgebracht wurde (vgl.
The results show a consistent trend that the curvature is significantly affected by how the distance of a single interlayer of mask material from the sapphire starting substrate or an optional nucleation layer thereon is adjusted. It can be seen that in the experimental constellation used in the sapphire / GaN system used here, the condition K a -K e > 0 for the cases without distance (ie line "0nm") and for the cases of distances "15nm" and "30nm "certainly is fulfilled and obviously still for distances to about 50nm. At longer distances of greater than 50 nm, ie as shown at 60 nm, 90 nm and 300 nm, this condition is not primarily satisfied, but surprisingly the increase in curvature is comparatively strongly damped, with the result that such an increase can be kept smaller than in cases where no intermediate layer of masking material has been applied (cf.
So bestätigt
Das erfindungsgemäß erhaltene Templat weist vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale auf, die nachfolgend weiter beschrieben werden. Es ist als solches ein interessanter kommerzieller Gegenstand, es kann aber auch direkt anschließend oder alternativ indirekt nach Bereitstellung, Lagerung oder Versenden, als Templat im Rahmen unten beschriebener weiterer Schritte weiterverarbeitet werden.The template obtained according to the invention has advantageous properties and features, which are further described below. As such, it is an interesting commercial item, but it may also be further processed directly thereafter or, alternatively, indirectly after provision, storage, or shipping, as a template in the context of further steps described below.
Ein Templat zur Herstellung von weiterem III-N-Einkristall gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums nicht gekrümmt oder im wesentlichen nicht gekrümmt, oder es ist negativ gekrümmt. Wenn zum Beispiel für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von 430µm (ungefähr, d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht GaN einer Dicke (dGaN) von 7 µm (ungefähr d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, so ist der Ausdruck "im wesentlichen nicht gekrümmt" vorzugsweise so definiert, dass der Krümmungswert (Ke) bei epitaxialer Wachstumstemperatur im Bereich von maximal ±30 km-1, bevorzugt im Bereich von maximal ±10 km-1 um null liegt; der Ausdruck "nicht gekrümmt" bedeutet dann einen Ke-Wert ungefähr null, z.B.
0±5 km-1 und insbesondere 0±2 km-1; und der Ausdruck "negativ gekrümmt" ist dann definiert durch eine Krümmung bei Wachstumstemperatur im Bereich von unter 0 km-1, zum Beispiel im Bereich bis -150 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1.A template for producing further III-N single crystal according to the present invention is not curved or substantially not curved in the temperature range of epitaxial crystal growth, or it is negatively curved. For example, if the template used is sapphire of a thickness (d sapphire ) of 430μm (approximately, ie ± 20μm) for the template and GaN of a thickness (d GaN ) of 7μm (approximately dh ± 0.5μm) as the III-N crystal layer or is set, the expression "im essentially not curved "is preferably defined so that the curvature value (K e ) at zero epitaxial growth temperature is within ± 30 km -1 , preferably within ± 10 km -1, around zero, the term" not curved "then means a K e value about zero, eg
0 ± 5 km -1 and especially 0 ± 2 km -1 ; and the term "negatively curved" is then defined by a curvature at growth temperature in the range of below 0 km -1 , for example in the range to -150 km -1 , more preferably in the range of -25 to -75 km -1 .
Es ist zu beachten, dass bei Verwendung anderer Materialien für III-N als GaN der exakte Krümmungswert variieren kann; erfindungsgemäß bleibt es aber bei der beabsichtigten Einstellung einer (im wesentlichen) Nichtkrümmung oder einer negativen Krümmung. Ferner kann bei Einstellung anderer Schichtdicken der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der folgenden vereinfachten Stoney-Gleichung variieren, wonach - sofern der Film (dIII-N) wesentlich dünner ist als das Substrat (dSubstrat) - die Beziehung gilt [wobei R= Krümmungsradius und εxx=Deformation (strain)]:
Unter der Annahme einer sehr dünnen Schicht wird εxx als konstant angenommen, d.h. wenn sich die Schichtdicken ändern, reagiert das System mit einer Änderung von R (die aus einer Änderung der Krümmung resultierende Änderung von εxx wird vernachlässigt). Somit liegt bei Verwendung der beispielhaften Materialien Saphir und GaN, aber bei Einstellung anderer als den vorgenannten Schichtdicken (dSaphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung in folgenden Bereich:
Für ein erfindungsgemäßes Templat bedeutet dies zum Beispiel ferner, dass wenn bei 430µm Saphir und einer 3,5-4µm dicken GaN-Schicht eine Krümmung von 250km-1 vorliegt, sich bei einem 330µm dicken Saphir-Wafer beim selben Prozess eine Krümmung von 425km-1 ergibt.For example, for a template according to the invention, this means that if a curvature of 250 km -1 exists for a 430 μm sapphire and a 3.5-4 μm thick GaN layer, a bend of 425 km for a 330 μm thick sapphire wafer occurs in the same process . 1 results.
Es ist ferner zu beachten, dass die Krümmung bei Raumtemperatur im Vergleich zur Krümmung bei Wachstumstemperatur verändert ist, unter Umständen deutlich verändert sein kann. Bei Verwendung von Saphir als Fremdsubstrat zum Beispiel wird dem Templat - infolge der plastischen Verformung während des Abkühlens von der Wachtumstemperatur auf Raumtemperatur, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen kristallinen Materialien - zusätzlich eine (nur durch extrinsische Kompression erzeugte) Spannung aufgeprägt. Dies soll in
KT(dGaN;dSaphir)=KT(7µm;430µm)x(430µm/dSaphir)2x(dGaN/7µm), Bezug genommen wird.It should also be noted that the curvature at room temperature is altered as compared to the curvature at growth temperature, which may under certain circumstances be significantly altered. For example, when using sapphire as a foreign substrate, the template becomes due to plastic deformation during cooling from the growth temperature to room temperature, mainly due to the different thermal expansion coefficients of the different crystalline materials - In addition impressed (only generated by extrinsic compression) voltage. This should be in
K T (dGaN; dSaphir) = K T (7μm; 430μm) x (430μm / d sapphire ) 2 x (d GaN / 7μm).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Templat bei Raumtemperatur für den Fall dSaphir=430µm und dGaN=3,5µm einen Krümmungsradius im Bereich von -4 bis -6m auf.In a further preferred embodiment, the template has a radius of curvature in the range from -4 to -6 m at room temperature for the case d sapphire = 430 μm and d GaN = 3.5 μm.
Eine weitere Möglichkeit, die Produkt- oder Struktureigenschaften des erfindungsgemäß erhaltenen Templats charakteristisch zu beschreiben, ist durch die Angabe der Deformation der Gitterkonstanten oder der Verspannung möglich.A further possibility to characteristically describe the product or structural properties of the template obtained according to the invention is possible by specifying the deformation of the lattice constant or the strain.
Die Deformation εxx ist dabei folgendermaßen definiert:
Röntgen-Verfahren zur Bestimmung absoluter Gitterkonstanten werden in
Dabei erfolgt die Bestimmung über das Bragg'sche Gesetz
Ferner können die Eigenschaften auch durch die Verspannung σxx angegeben werden, wobei
Ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums einen Wert εxx ≤ 0 (d.h. einschließlich εxx = 0), insbesondere aber von εxx < 0 auf. Dieser Wert lässt sich direkt aus einer in-situ Messung der Krümmung bestimmen.In the temperature range of an epitaxial crystal growth, a template according to the present invention has a value ε xx ≦ 0 (ie including ε xx = 0), but in particular ε xx <0. This value can be determined directly from an in-situ measurement of the curvature.
Neben dem Vorliegen einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial kann ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung ferner bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx < -0,70 GPa aufweisen, und/oder die Deformation εxx des Templats bei Raumtemperatur kann auf einen Wert im Bereich von εxx<0, bevorzugt im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003, weiter bevorzugt im Bereich -0,0015≥ εxx ≥ -0,0025 (oder -0,0015> εxx ≥ -0,0025) und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 eingestellt sein.In addition to the presence of an intermediate layer with mask material, a template according to the present invention may further have a compressive stress of σ xx <-0.70 GPa at room temperature, and / or the deformation ε xx of the template at room temperature may be in the range of ε xx <0, preferably in the
Eine geeignete Krümmungsmessvorrichtung, die in Verbindung mit einer Anlage zur Gasphasenepitaxie einsetzbar ist, ist zum Beispiel die Krümmungsmessvorrichtung der Laytec AG, Seesener Strasse, Berlin Deutschland (vgl. z.B.
Demgemäß erhält man nach dem epitaxialen Kristallwachstum ein Templat, das aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften dazu geeignet ist, in weiteren epitaxialen Wachstumsschritten Kristalle von besonderer Güte und mit besonderen Merkmalen herzustellen. Das erfindungsgemäße Templat eignet sich somit hervorragend zur Weiterverwendung, kann also als solches bereitgestellt werden, zwischengelagert oder zur Weiterverwendung verschickt, oder kann direkt in einem Gesamtprozess weiterverwendet werden.Accordingly, after epitaxial crystal growth, a template is obtained which, due to the properties described above, is suitable for producing crystals of special quality and with special features in further epitaxial growth steps. The template according to the invention is thus outstandingly suitable for further use, that is to say it can be provided as such, temporarily stored or sent for further use, or it can be used further directly in an overall process.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen vor, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- aa) Bereitstellen eines Templats, welches ein Saphir umfassendes Startsubstrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Startsubstrat und die mindestens eine III-N-Kristallschicht so gebildet sind, dass das Templat im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums keine oder annähernd keine Krümmung aufweist oder eine negative Krümmung aufweist, und
- bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums zum Bilden von weiterem III-N-Kristall auf dem Templat gemäß aa), wahlweise zum Herstellen eines III-N-Massivkristalls,
- cc) optional Trennen von III-N-Einkristall oder III-N-Massivkristall und Fremdsubstrat.
- aa) providing a template which comprises a sapphire-comprising starting substrate and at least one III-N crystal layer, wherein the starting substrate and the at least one III-N crystal layer are formed so that the template in the temperature range of epitaxial crystal growth no or almost no curvature has or has a negative curvature, and
- bb) carrying out an epitaxial crystal growth to form further III-N crystal on the template according to aa), optionally for producing a III-N solid crystal,
- cc) optionally separating III-N single crystal or III-N solid crystal and foreign substrate.
Dieser Gegenstand der Erfindung geht von dem alternativen Lösungsprinzip aus, die Gefahr von Rissbildungen durch die in den Schritten aa) und bb) festgelegten Voraussetzungen zu minimieren oder ganz zu unterdrücken.
Das im Schritt aa) bereitgestellte Templat umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die oben beschriebene Zwischenschicht mit Maskenmaterial, wobei insoweit auf die obige Beschreibung zum Bilden des eine solche Zwischenschicht aufweisenden Templats verwiesen werden kann. Bei diesem Gegenstand der Erfindung nach dem alternativen Lösungsprinzip muss eine solche Zwischenschicht jedoch nicht notwendigerweise vorliegen, weil der im Schritt aa) definierte Krümmungszustand alternativ auch durch andere Bedingungen eingestellt werden kann, speziell durch passende Temperaturkontrolle und -variation während des III-N-Wachstums des Templats, wie ebenfalls an anderen Stellen beschrieben.This object of the invention is based on the alternative solution principle to minimize or completely suppress the risk of cracking by the conditions defined in steps aa) and bb).
In a preferred embodiment, the template provided in step aa) comprises the above-described intermediate layer with mask material, in which respect reference may be made to the above description for forming the template having such an intermediate layer. However, in this subject matter of the invention according to the alternative solution principle, such an intermediate layer need not necessarily be present, because the curvature state defined in step aa) can alternatively be adjusted by other conditions, especially by appropriate temperature control and variation during III-N growth of the Templats, as also described elsewhere.
Infolge des Einprägens von Gitterdeformation und von kompressiver Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Zustand des im Schritt aa) bereitgestellten Templats auch dadurch definiert werden, dass der III-N-Kristall des Templats bei Wachstumstemperatur einen Wert εxx ≤ 0 (d.h. einschließlich εxx = 0), insbesondere aber einen εxx-Wert von < 0 aufweist, wobei der Wert bevorzugt im Bereich von 0 > εxx > -0,0006 und weiter bevorzugt im Bereich von -0,0003 > εxx > -0,0006 liegt. Bei Raumtemperatur kann eine kompressive Spannung von σxx < -0,70 GPa vorliegen. Die Deformation εxx bei Raumtemperatur des erfindungsgemäßen Templats weist bevorzugt einen Wert im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003, weiter bevorzugt im Bereich -0,0015≥ εxx ≥ -0,0025 (oder -0,0015> εxx ≥ -0,0025) und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 auf.Due to the imprinting of lattice deformation and compressive stress according to the present invention, the state of the template provided in step aa) can also be defined by the growth-temperature of the III-N crystal of the template being ε xx ≤ 0 (ie including ε xx = 0), but in particular has an ε xx value of <0, the value preferably in the range of 0> ε xx > -0.0006 and more preferably in the range of -0.0003> ε xx > -0.0006 lies. At room temperature, a compressive stress of σ xx <-0.70 GPa may be present. The deformation ε xx at room temperature of the template according to the invention preferably has a value in the
So können in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung III-N-Einkristalle hergestellt werden, die dadurch gewonnen werden, dass - ohne oder mit Unterbrechung zwischen den Schritten aa) und bb) - ein zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum auf dem erfindungsgemäß erhaltenen Templat zum Bilden von weiterem III-N-Kristall durchgeführt wird. Weiteres epitaxiales III-N-Kristallwachstum kann bei einer Wachstumstemperatur durchgeführt werden, die unabhängig von den vorgenannten Kristallwachstumstemperaturen gewählt werden kann.Thus, in a further embodiment of the present invention, III-N single crystals can be prepared which are obtained by - without or with interruption between steps aa) and bb) - additional epitaxial crystal growth on the template obtained according to the invention for forming further III-N crystal is performed. Further epitaxial III-N crystal growth can be carried out at a growth temperature that can be chosen independently of the aforementioned crystal growth temperatures.
Auch sonstige Bedingungen des weiteren Kristallwachstums auf dem Templat sind nun frei wählbar. So können III-N-Materialien aufgewachsen werden, deren III-Komponente nach Wunsch gewählt und variiert werden kann. Entsprechend können mindestens eine (ggf. weitere) GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht(en) zur Herstellung entsprechend dickerer III-N-Schichten oder III-N-Einkristalle aufgebracht werden. Bevorzugt bilden sowohl die III-N-Kristallschicht des Templats als auch der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ein rein binäres System, z.B. GaN, AlN oder InN, oder die III-N-Kristallschicht des Templats ist ein binäres System, insbesondere GaN (mindestens hauptsächlich, da die Nukleationsschicht wahlweise aus einem anderen Material bestehen kann, wie z.B. AlN), und der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ist ein frei wählbares binäres oder ternäres III-N-Material, insbesondere wiederum binäres GaN.Other conditions of further crystal growth on the template are now freely selectable. Thus, III-N materials can be grown whose III component can be chosen and varied as desired. Accordingly, at least one (possibly further) GaN, AlN, AlGaN, InN, InGaN, AlInN or AlInGaN layer (s) can be applied to produce correspondingly thicker III-N layers or III-N single crystals , Preferably, both the III-N crystal layer of the template and the epitaxially grown III-N crystal form a purely binary system, e.g. GaN, AlN or InN, or the III-N crystal layer of the template is a binary system, especially GaN (at least mainly because the nucleation layer may optionally be of a different material, such as AlN), and III-N epitaxially grown thereon Crystal is a freely selectable binary or ternary III-N material, in particular binary GaN.
Schritt bb) kann sich unmittelbar an Schritt aa) anschließen, alternativ kann das Verfahren dazwischen unterbrochen werden. Es ist es möglich, den Reaktor zwischen den Schritten zu wechseln, was wiederum das Aufwachsen von III-N-Kristallen im Schritt bb) über eine andere Aufwachsmethode ermöglicht, als bei der Herstellung des bereitgestellten Templats nach Schritt aa) verwendet wurde, um für die jeweiligen Schritte optimale Bedingungen zu wählen. So wird das zusätzliche epitaxiale Kristallwachstum auf dem erfindungsgemäß hergestellten Templat bevorzugt durch HVPE durchgeführt. Die vorteilhafte Wahl des Schritts bb) unter HVPE-Bedingungen ermöglicht hohe Wachstumsraten und entsprechend das Erreichen dickerer Schichten. Es können aber auch alle Schritte des Verfahrens, welche das gesamte Wachstum einschließlich der Templatbildung und dem anschließenden Abscheiden der weiteren epitaxialen III-N-Schicht betrifft, in einer einzigen Anlage mit einer bestimmten Wachstumstechnik, beispielsweise nur mittels HVPE, durchgeführt werden, so dass die Schritte aa) und bb) in demselben Reaktor durchgeführt werden.Step bb) may immediately follow step aa), alternatively the process may be interrupted therebetween. It is possible to change the reactor between steps, which in turn allows the growth of III-N crystals in step bb) via a different growth method than was used in the preparation of the template provided after step aa) to obtain the respective steps to select optimal conditions. Thus, the additional epitaxial crystal growth on the template prepared according to the invention is preferably carried out by HVPE. The favorable choice of step bb) under HVPE conditions allows high growth rates and, correspondingly, the achievement of thicker layers. However, it is also possible to carry out all the steps of the process involving the entire growth, including the formation of temples and the subsequent deposition of the further epitaxial III-N layer, in a single plant with a specific growth technique, for example only by means of HVPE, so that the Steps aa) and bb) are carried out in the same reactor.
Erfindungsgemäß kann im Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ein epitaxiales Kristallwachstum auf dem bereitgestellten Templat durchgeführt werden, sodass nach Abschluss des epitaxialen Wachstums mit deutlich verringertem Risiko von Rissbildungen dicke III-N-Einkristalle sehr guter Kristallqualität mit Schichtdicken von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, mehr bevorzugt von mindestens 7 mm und am meisten bevorzugt von mindestens 1 cm erhalten werden. Aufgrund der Rissfreiheit kann vorteilhaft die gesamte Dicke des Massivkristalls genutzt werden.According to the invention, in the process for producing III-N single crystals according to the above-described embodiments, epitaxial crystal growth can be performed on the template provided, so that after completion of the epitaxial growth with significantly reduced risk of cracking, thick III-N single crystals of very good crystal quality with layer thicknesses of at least 1 mm, preferably of at least 5 mm, more preferably of at least 7 mm, and most preferably of at least 1 cm. Due to the freedom from cracking, the entire thickness of the solid crystal can advantageously be utilized.
Nach Beendigung des epitaxialen Kristallwachstums zur Herstellung eines III-N-Einkristalls kann optional der rissfreie III-N-Einkristall vom Substrat getrennt werden (optionaler Schritt cc)). Dies geschieht in einer bevorzugten Ausführungsform durch Selbstablösung, etwa beim Abkühlen von einer Kristallwachstumstemperatur. In einer weiteren Ausführungsform kann das Trennen von III-N-Einkristall und dem Substrat durch Abschleifen, Absägen oder einen lift-off-Prozess erfolgen.After completion of the epitaxial crystal growth to prepare a III-N single crystal, the crack-free III-N single crystal may optionally be separated from the substrate (optional step cc)). This is done in a preferred embodiment by self-detachment, such as when cooling from a crystal growth temperature. In another embodiment, the separation of III-N single crystal and the substrate may be accomplished by abrading, sawing or a lift-off process.
Weist der epitaxial gewachsene III-N-Einkristall eine ausreichend große Dicke auf, wobei ein sogenannter III-N-Boule oder -Ingot erhalten wird, ist es möglich diesen Einkristall durch geeignete Methoden zum Bilden einer Vielzahl von einzelnen dünnen Scheiben (Wafer) zu vereinzeln. Das Vereinzeln der Einkristalle umfasst gängige Methoden zum Zerschneiden oder Zersägen von III-N-Einkristallen. Die so erhaltenen Wafer eignen sich hervorragend als Basis zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen und Bauelementen, beispielsweise opto-elektronischen oder elektronischen Bauelementen. So eignen sich die erfindungsgemäß hergestellten Wafer zur Verwendung als Leistungsbauelemente, Hochfrequenzbauelemente, lichtemittierende Dioden und Laser.If the epitaxially grown III-N single crystal has a sufficiently large thickness to obtain a so-called III-N boule or intrin, it is possible to singulate this single crystal by suitable methods of forming a plurality of individual thin slices (wafers) , The singulation of the single crystals includes common methods for cutting or sawing III-N single crystals. The wafers thus obtained are outstandingly suitable as a basis for the production of semiconductor devices and components, for example optoelectronic or electronic components. Thus, the wafers produced according to the invention are suitable for use as power components, high-frequency components, light-emitting diodes and lasers.
In allen Verfahrensstufen, insbesondere bei den eigentlichen, epitaxial gewachsenen III-N-Schichten eines III-N-Boules oder -Ingots und entsprechend im III-N-Einkristall für die erhaltenen Wafer ist der Einschluss von Dotierungen möglich. Geeignete Dotierungen umfassen n- sowie p-Dotierungen und können Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Si, Ge, Sn, Pb, Se und Te. Für semi-isolierendes Material können geeignete Dotierungen Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus C, Fe, Mn und Cr.In all process stages, in particular in the actual, epitaxially grown III-N layers of a III-N boule or -gine and correspondingly in the III-N single crystal for the resulting wafers, the inclusion of dopants is possible. Suitable dopants include n- and p-type dopants and may include elements selected from the group consisting of Be, Mg, Si, Ge, Sn, Pb. Se and Te. For semi-insulating material, suitable dopants may include elements selected from the group consisting of C, Fe, Mn and Cr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der rissfreie III-N-Einkristall aus Galliumnitrid zusammengesetzt, und dieser Kristall weist in Wachstumsrichtung eine Gitterkonstante a im Bereich von < a0, insbesondere im Bereich von 0,31829 nm < a ≤ 0,318926 nm auf. Als Referenzwert der Gitterkonstante a0 von GaN kann hier der Wert a0 =0,318926 nm angenommen werden (vgl.
Als Wachstumstechnik wird eine MOVPE auf vorbehandeltem Saphir (der einer Desorption und einer Nukleation unterworfenen wird) mit den nachfolgend wiedergegebenen Details verwendet. Die hier genannten Temperaturen beziehen sich auf die nominell eingestellte Temperatur der Heizer; die Temperatur am Templat bzw. Kristall liegt tiefer, teilweise bis um ca. 70 K tiefer (vgl.
MOVPE-Reaktor Aixtron 200/4 RF-S, Einzel-Wafer, horizontal
c-plane Saphirsubstrat, off-cut 0,2° in m-Richtung
430 µm Dicke
unstrukturiertC-plane sapphire substrate, off-cut 0.2 ° in m-direction
430 μm thickness
unstructured
- Reaktordruck: 100 mbarReactor pressure: 100 mbar
- Aufheizen: Von 400 °C auf 1200 °C in 7 minHeating: From 400 ° C to 1200 ° C in 7 min
- Reaktortemperatur: 1200°CReactor temperature: 1200 ° C
- Prozesstemperaturdauer: 10 min in H2-AtmosphäreProcess temperature duration: 10 min in H 2 atmosphere
- Abkühlung auf 960°CCool to 960 ° C
- Gasströme: 25 sccm Trimethylaluminium (TMAl), Bubbler: 5° C, 250 sccm NH3 Gas flows: 25 sccm trimethylaluminum (TMAl), bubbler: 5 ° C, 250 sccm NH 3
- Abkühlung auf 960°CCool to 960 ° C
- Öffnen der VentileOpening the valves
- Nukleation: 10 minNucleation: 10 min
- Erhöhung des Ammoniakflusses auf 1.6 slmIncrease of ammonia flow to 1.6 slm
- Aufheizen von 960 °C auf 1100 °C in 40 secHeating from 960 ° C to 1100 ° C in 40 sec
- Reaktordruck: 150 mbar, H2-AtmosphäreReactor pressure: 150 mbar, H 2 atmosphere
- Gasströme: ggf. 16-26 sccm Trimethylgallium (TMGa), 2475 sccm NH3 Gas streams: optionally 16-26 sccm of trimethylgallium (TMGa), 2475 sccm of NH 3
- Kristallwachstumszeit: 0 - 10 min (entsprechend 0-300 nm)Crystal growth time: 0 - 10 min (corresponding to 0-300 nm)
- Gasströme:: 0,113µmοl/min Silan, 1475sccm NH3Gas flows :: 0.113 μmol / min silane, 1475sccm NH3
- Kein TMGaNo TMGa
- Druck: 150 mbarPressure: 150 mbar
- Temp: 1100°CTemp: 1100 ° C
- Dauer: 3 minDuration: 3 min
- 1100 °C1100 ° C
- Reaktordruck: 150 mbar, H2-AtmosphäreReactor pressure: 150 mbar, H 2 atmosphere
- Gasströme: 26 sccm TMGa, 2000 sccm NH3 Gas flows: 26 sccm TMGa, 2000 sccm NH 3
- Kristallwachstumszeit 90-240 min, entsprechend 3-10 µm GaN-DickeCrystal growth time 90-240 min, corresponding to 3-10 μm GaN thickness
- Abschalten von Heizung und TMGa-StromSwitch off heating and TMGa power
- Reduzierung NH3: 2000 sccm auf 500 sccm in 40 secReduction of NH 3 : 2000 sccm to 500 sccm in 40 sec
- Abschalten: NH3-Strom unter 700 °CShutdown: NH 3 flow below 700 ° C
- Umschalten: NH3-Strom auf N2-StromSwitch: NH 3 stream to N 2 stream
Auf ausgewählten, gemäß Beispiel 1 hergestellten Templaten, bei denen GaN-Schichten mit SiN-Zwischenschichten direkt auf der Nukleationsschicht (Probe A; nicht erfindungsgemäß) oder nach sehr geringen (15-30nm; Probe D) oder größeren (300 nm; Probe C; nicht erfindungsgemäß) Abständen abgeschieden wurden oder gemäß Vergleichsbeispielen bei denen GaN ohne SiN (Probe B) oder auf Niedrigtemperatur-GaN-Nukleationsschicht (Probe E) gewachsen waren, wurde analog zu Beispiel 1 die Krümmung verfolgt, und zwar im Bereich eines MOVPE-Wachstums bis ca. 7µm wie in
In weiteren Vergleichsbeispielen können wiederum ähnliche Versuchsbedingungen verwendet werden, außer dass keine Zwischenschicht von Maskenmaterial abgeschieden wird.In other comparative examples, similar experimental conditions can again be used, except that no intermediate layer of masking material is deposited.
Claims (15)
- A process for preparing a template comprising a substrate and at least one III-N crystal layer, wherein III denotes at least one element of the main group III of the periodic table of the elements, selected from Al, Ga and In, wherein the process comprises the steps of
providing a foreign substrate comprising sapphire, and growing a crystalline III-N material on the substrate, wherein a mask material is deposited as interlayer in the crystalline III-N material at a distance from the foreign substrate, which optionally exhibits a III-N nucleation layer, and subsequently the growth of a crystalline III-N material is continued, and wherein the mask material is deposited in situ in the same reactor during the preparation of the template within the III-N-layer of the template, wherein the distance of the interlayer of the mask material to the foreign substrate or respectively the III-N nucleation layer optionally formed thereon is at most 50 nm,
wherein during the crystal growth a curvature difference of Ka-Ke ≥ 0 is adjusted, wherein the curvature of the growth surface of the III-N crystal at a first, relatively earlier time point is denoted as Ka and at a second, relatively later time point is denoted as Ke. - The process according to claim 1, characterized in that the curvature difference (Ka-Ke) is at least 5 km-1, preferably at least 10 km-1, more preferably at least 20 km-1 and in particular at least 50 km-1.
- The process according to claim 1 or 2, wherein the template is further used for depositing one or multiple further III-N crystal layer(s), optionally for producing III-N bulk crystal, wherein the III-N crystal layer(s) or the III-N bulk crystal comprises epitaxially grown GaN, AlN, AlGaN, InN, InGaN, AlInN or AlInGaN crystals.
- The process according to claim 1 for producing a III-N single crystal, wherein the process comprises the following additional steps:carrying out an epitaxial crystal growth for forming further III-N crystal, optionally for producing III-N bulk crystal on the template, andoptionally separating III-N single crystal or III-N bulk crystal and foreign substrate.
- The process according to claim 4, wherein a mask material is deposited as interlayer in the provided template in the region above the starting substrate in the III-N crystal layer of the template, such that a distance of the interlayer of the mask material to the foreign substrate or respectively the III-N nucleation layer optionally formed thereon is at most 50 nm, wherein preferably the mask material is deposited in situ in the same reactor during the preparation of the template, and the III-N- growth process is continued directly after the deposition of the mask material.
- The process according to one of the preceding claims, characterized in that when for the template as substrate sapphire with a thickness (dsapphire) of approximately 430 µm (i.e. ±20 µm) and as III-N crystal layer GaN with a thickness (dGaN) of approximately 7 µm (i.e. ±0.5 µm) is used or set, the III-N crystal a curvature of the template (KT) at the growth surface(i) at growth temperature is specified in the range from 0 to -150 km-1, preferably in the range from -25 to -75 km-1, and/or(ii) at room temperature is specified in the range of < -200 km-1, preferably from -200 to -400 km-1, more preferably in the range from -300 to -350 km-1;wherein when using or setting different layer thicknesses (dsapphire/dGaN) the curvature value lies depending on the respective layer thicknesses analogous to the Stoney equation in the following range:
if the film dGaN is substantially thinner compared to the substrate and εxx is considered as constant,
and/or wherein a compressive stress is produced within the III-N-material, and preferably the III-N single crystal of the template exhibits a compressive stress σxx of < -0.70 GPa at room temperature,
wherein εxx is determined by an X-ray measurement of the absolute lattice constant. - The process according to one of the preceding claims, wherein the interlayer of the mask material is deposited at a set maximum distance from the substrate, or respectively from the III-N nucleation layer optionally formed thereon, of maximally 50 nm, and/or wherein the mask material is a material on which a III-N deposition is inhibited or prevented, preferably the mask material is selected from the group consisting of SixNy and in particular Si3N4, TiN, AlXOY and in particular Al2O3, SiXOY and in particular SiO2, WSi, and WSiN, wherein x and y respectively independently from each other denote positive numbers which lead to respective stoichiometric or non-stoichiometric compounds of SiN, AlO and SiO, respectively.
- The process according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate consists of sapphire.
- The process according to one of the preceding claims, characterized in that the curvature of the III-N crystal of the template is additionally changed in at least one growth phase by carrying out a deposition at a lowered growth temperature compared to that of a preceding deposition stage of III-N material of the template.
- A process for preparing III-N crystal wafers, wherein III denotes at least one element of the main group III of the periodic table of the elements, selected from the group of Al, Ga and In, wherein the process comprises the following steps:a) carrying out a process according to one of the claims 3 to 9 for forming a III-N bulk crystal, andb) separating of the bulk crystal for forming wafers.
- A template with a substrate comprising sapphire and at least one III-N crystal layer, wherein III denotes at least one element of the main group III of the periodic table of the elements, selected from the group of Al, Ga and In, wherein in the region above the foreign substrate in the III-N crystal layer of the template a mask material is provided as interlayer, wherein the III-N crystal layer of the template is defined by one or both of the following values (i)/(ii) of the deformation εxx:(i) at room temperature the εxx value lies in the range of <0,(ii) at growth temperature the εxx value lies in the range of εxx ≤ 0,wherein εxx is determined by an X-ray measurement of the absolute lattice constant,
wherein the distance of the interlayer of the mask material to the foreign substrate or respectively the III-N nucleation layer optionally formed thereon is at most 50 nm. - The template according to claim 11, wherein, if for the template as substrate sapphire with a thickness (dsapphire) of approximately 430 µm (i.e. ±20 µm) and as III-N crystal layer of GaN with a thickness (dGaN) of approximately 7 µm (i.e. ±0.5 µm) is used or set, wherein εxx is determined by an X-ray measurement of the absolute lattice constant,
the III-N crystal a curvature of the template (KT)(i) at growth temperature is specified in the range from 0 to -150 km-1, preferably in the range from -25 to -75 km-1; and/or(ii) at room temperature is specified in the range from -200 to -400 km-1, preferably in the range from -300 to -400 km-1,wherein a negative curvature is a convex curvature,
wherein when using or setting other layer thicknesses (dsapphire/dGaN), the curvature value lies in the following range depending on the respective layer thicknesses analogous to the Stoney equation: if the film (dGaN) is substantially thinner compared to the substrate (dsapphire), and εxx is assumed to be constant. - Use of a template according to one of the claims 11 or 12 for producing thicker III-N layers or III-N crystal boules or respectively III-N bulk crystals, which optionally thereafter are separated into individual III-N wafers, or use of a template according to one of the claims 11 to 12 respectively for producing semiconductor devices, electronic or opto-electronic devices.
- Use of a mask material as interlayer in a template which exhibits a substrate comprising sapphire and a III-N crystal layer, wherein III denotes at least one element of the main group III of the periodic table of the elements, selected from the group of Al, Ga and In, for controlling a curvature value and/or a stress of the template to deposit at least one further III-N crystal layer on the substrate after setting of a particular curvature value and/or a particular stress, wherein a distance of the interlayer of the mask material to the foreign substrate or respectively the III-N nucleation layer optionally formed thereon is present and is at most 50 nm.
- Process for the production of semiconductor devices, electronic or opto-electronic devices, for which the process for the production of III-N crystal wafers according to claim 10 is carried out.
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